物理学教室年次研究報告
２０１８年度大阪市立大学

大学院理学研究科・理学部
物理学教室

目次
序 ........................................................................................................... 1
２０１８年度物理教室談話会 ............................................................... 3
研究報告
物性物理学講座
超低温物理学研究室 ...................................................................... 5
光物性物理学研究室 ...................................................................... 9
生体・構造物性物理学研究室 ..................................................... 11
素励起物理学研究室 .................................................................... 14
電子相関物理学研究室................................................................. 20
レーザー量子物理学研究室 ......................................................... 25
宇宙・高エネルギー講座
宇宙線物理学研究室 .................................................................... 28
高エネルギー物理学研究室 ......................................................... 36
重力波実験物理学研究室 ............................................................. 44
宇宙･素粒子実験物理学研究室 .................................................... 51
基礎物理学講座
素粒子論研究室 ............................................................................ 55
数理物理研究室 ............................................................................ 60
宇宙物理研究室 ............................................................................ 66
原子核理論研究室 ........................................................................ 70

平成 30 年度を振り返って
平成 30 年度は、学外で大きな災害がいくつか発生した。１つは 7 月に西日本を中心に北海道や中部地方などの広範囲に被害が発生した豪雨によるものである。また、9 月 4 日には非常に強い台風 21 号が近畿地方を中心に甚大な被害をもたらした。もう１つは、9 月 6 日北海道で発生した震度７の地震によるものである。台風 21 号のとき、幸いにも物理学科教員、学生・院生がケガをしたという報告はなかったが、私の研究室の学生・院生の実家で、飛来物により壁に穴が空いたり、窓ガラスが粉砕されたりと事後処理に苦労したと聞いている。豪雨、強風、地震に伴う土砂崩れ、液状化などの災害も酷いものだが、広範囲に停電が長時間発生した。特に北海道内全域停電（約 300 万戸）では約 99％の復旧までに 50 時間かかり、西日本豪雨では約 100 万戸、台風 21 号では約 240 万戸が停電し、約 99％の復旧にそれぞれ 100 時間、120 時間を要したとされている。大阪市大杉本キャンパスでは、平成 29 年度に１号館前のワシントンヤシの木を安全管理の観点から伐採しており、台風によるこれらの倒木はなかったが、理学部学舎そばのメタセコイヤなど倒れた木は多数あった。また、私市にある理学部附属植物園では数十年にわたって育ててきた大木が多数根こそぎ倒れるなど多大な被害があった。台風接近に備え、事前に JR 以下鉄道各社が午前中で運行中止としたために大阪市大では９月 4 日は臨時休校・休業となる非常事態となった。
我々は普段の電力供給は当たり前として使っているが、広域停電などが発生したときは復旧には時間がかかることを前提にして、個人・世帯が何らかの準備をせねばならないことも痛感した。
（万が一に備え、自宅で太陽光発電と蓄電池をセットで購入した）
学内では、痛ましい出来事が起こった。ひとりの学生の悲しい知らせである。
理科選択コースで入学し２回生からは物理学科への進学を希望していた学生であった。１回生向けの講義担当教員から一人ぽつんとしていると報告を受けていた。主任はその年の物理学科新入生の担任であり、学生の学生相談窓口となり、定期的に面談をして学生との繋がりを築いていくことが求められ、それは学生が卒業するまで継続する。しかし、まだ物理学科へ所属していない状況だ
ったために、主任として何も出来なかったことが悔やまれる。
物理教室に関係することとしては、10 月 1 日に「南部陽一郎物理学研究所」

1

が開設され、12 月に記念シンポジウムが開催された。同じく 12 月に、上海大学との合同研究会が開催された。学生・院生間の交流を深めるきっかけになることが期待される。
理学研究科として、新たに International Course（英語コース）を開設することになった。３専攻全てで院生として受け入れる体制を整えた。大学の真の意味の国際化となることを期待する。年度内の募集は準備の関係で行わず、２
０１９年度の６月に募集することになった。
8 年前にも主任を務めた。当時の年次報告を読み返すと、「教員に対するサ
バティカル制度が平成 22 年 10 月から始まった」とある。これまで物理教室では誰もこの制度を利用していない。せっかくの制度が無駄になっている。何らかの活用方法はないだろうか。また、「平成 22 年度 4 月より、後期博士課程研究奨学奨励金制度が理学研究科内で発足しました」ともあった。この制度があるから本学の後期博士課程に進学した院生が多数おり、十分機能していると思われる。
最後に、本年度年次報告作成にご尽力された常定芳基氏と矢野英雄氏に感謝いたします。
2018 年度（平成 30 年度）物理学科主任
石川

2

修六

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超低温物理学研究室
石川修六
矢野英雄
小原 顕
畑
徹

教 授
准教授
講 師
特任教授

佐藤浩司(M2)
田邊博隆(M2)
濵﨑康佑(M1)
松村 樹(M1)

研究概要
1.

振動物体が生成する超流動ヘリウム４の量子乱流の統計的性質（矢野、佐藤、濵﨑）
超流動ヘリウム４は、秩序変数が振幅と位相からなる量子凝縮相である。その流れが作る渦は、秩序変数が零の状態を芯として、循環が量子化される量子渦となる。循環の量子化のために流れの乱れは量子渦のもつれとして現れ、超流動では、渦度０の流れと量子渦のみで構成される最もシンプルな量子乱流が実現する。したがって、量子乱流の性質は、乱流中の渦運動や乱流からの渦輪放出に反映する。
我々は、超流動ヘリウム中で振動ワイヤー（直径 2.5 μm）が生成する量子乱流からワイヤーの振動方向に放出される渦輪について、乱流生成から渦輪検出までの時間分布とその渦輪サイズ依存性を測定し、次のことを明らかにしている。①量子乱流から振動方向に放出される渦輪の検出時間を測定し、渦輪の放出は時間的にランダムであること、またある時間がたつと平均放出頻度が一定になることを明らかにした。②検出する最小
渦輪サイズを 0.8 μmから 200 μmまで変化させて平均検出頻度を測定し、乱流生成エネル
ギーが 150 pWのとき、検出頻度は最小渦輪サイズのべき乗則に従い、その指数が−1.6 であることを明らかにした。この結果は、量子乱流の渦構造が自己相似性を持つことを示唆している。③乱流生成エネルギーが 40 pWと 1000 pWの場合にも同様の測定を行い、べき乗則の指数がそれぞれ−2.5 と−1.5 であることを明らかにした。この結果は、乱流生成
エネルギーが増加すると指数が一定値に向かうことを示している。古典乱流でも乱流領域の構造にべき乗則が観測されることから、乱流の普遍的な性質であると考えられる。

2.

低温モーターで駆動する超流動ヘリウム４巨大渦の渦糸長密度測定（小原、矢野、松村）
流体力学は、粘性のない理想流体の流れを基礎とし、その渦についても詳しく調べられている。一方、粘性のない流体を実現する超流動ヘリウムは、その流れを作ることが難しく、理想流体の流れを実験的に研究する方法が限られている。我々は、超流動ヘリウム中でも回転する低温モーターを開発し、超流動流の新分野開拓を行っている。現在までのところ、①超流動回転流を利用する超流動ポンプを開発し、吸い込み流によって渦管をもつ巨大な超流動渦が誘起されることを発見した。これは吸い込み流が量子渦を集中させることを示す。②渦管の形状から、循環量子κの 104～105 に相当する渦である
ことを明らかにした。③超流動ヘリウムより軽い固体水素微粒子（直径 11 μm）を用い、巨大渦のparticle tracking velocimetry（PTV粒子像追跡流速計測）を行い、渦管壁直下の流れ場を可視化した。流れは、渦管をまわりながら超流動ポンプへ吸い込まれる、
らせん運動を描くことを明らかにした。本年度は、モーターによって生成された巨大渦の中に、量子渦糸がどこにどのような密度で存在しているのか検証するため、巨大渦を横断する第２音波の吸収実験を行った。第２音波は量子液体特有の音波の一つで、量子渦が存在するときには渦糸密度に比例した減衰を示す。実験の結果、回転流が強くなるほど大きな減衰が発生することが判った。この減衰と可視化実験による巨大循環量子を比較すると、モーターによる回転流によって生成された量子渦糸密度は、これまでの回
転冷凍機の実験よりも数倍程度大きな値を示していることになる。これらの結果は、超流動ヘリウムの動的状態についての新たな知見を与えるとともに、新分野開拓が期待で5

きる成果である。
3.

回転する超流動ヘリウム３の研究（物性研，京大，福井大，岡山大との共同研究）（石川、小原、木村）
並行平板間の狭い領域に閉じ込めた超流動ヘリウム３− A相での半整数量子渦の検出実験を行った。半整数渦の検出はNMR法で行った。これまでに、回転角速度が大きな場合に半整数渦に起因するとみられるNMR共鳴周波数の角速度依存性を観測した。しかし、回転角速度が小さい場合は逆の傾向であった。また回転角速度が大きな場合の周波数変化は理論予想より小さく、定量的な一致はなかった。考察より以下のことが明らかになった。
無回転時の狭い隙間内のオーダーパラメーターが予想していた分布から少しずれている
ことがわかり、回転角速度が小さい場合には固有軌道角運動量の効果が半整数量子渦効
果より大きいために、逆の傾向となることとわかった。回転角速度が大きな場合は、半整数量子渦と通常の位相渦とが共存していると考えることで周波数変化量を理解できる
ことがわかった。NMR共鳴周波数の変化は非局在なスピン波励起に起因するが、その非局
在なスピン波励起は位相渦によって何ら影響を受けないからである。半整数渦が観測されただけでなく、巨視的な大きさの固有軌道角運動量の観測が出来たことを示している。

4.

毛細管中の超流動 3He のポーラー相探索（小原、石川、田邉）
コヒーレンス長の１０倍程度(約 1 μm)の太さの毛細管中の超流動 3He では、クーパー対の運動がほとんど１次元的に制限されることで、バルクとは決定的に異なる特異な相が出現しうることが、古くから予言されていた。しかし、これまで実験上の困難から、その測定はほとんど行われてこなかった。すなわち、直径約 1 μmで均一で長い構造体が存在しなかったこと、相の同定に必要なNMRの信号強度が極小であることが解っていたからである。本年度は、昨年度作成した増幅用低温アンプを用いて、検出コイルによる
NMR信号強度の最適化を行った。また、毛細管としてフォトニック結晶ファイバを用いるが、これまでは無駄な肉厚が大きいため十分な充填率が確保できなかった。そこで、今年度、フッ酸をもちいてエッチングし、充填率を１０％前後まで増加させることに成功した。毛細管中 3He の信号捕捉にむけて、測定システムを改良中である。

5.

熱音響冷凍機の開発（石川）熱音響冷凍機は、熱エネルギーと音波エネルギーの変換を利用した冷凍機である。薄膜付きのループ管型の熱音響冷凍機が本研究の特色である。今年度はこの薄膜の役割を明らかにするために、ステンレスの直管の一端にスピーカーを配置した音響装置を製作し、他端を開放端、閉端、薄膜としたきの共鳴周波数での管に沿った圧力変動、仕事流を調べた。これらの実験より、薄膜は小さな音圧に対しては開放端的な振る舞いをし、大きな音圧に対しては閉端的な振る舞いをする結果を得た。この結果の一部が昨年度の結果と異なる。昨年度は測定中にスピーカーが破損していた可能性がある。実際のルー
プ管型熱音響冷凍機での圧力変動は大きな音圧に相当する。これまでの解析より、ルー
プ管型熱音響冷凍機の薄膜では常に圧力変動が極大であることがわかっている。これは閉端的な振る舞いであり、今回の直管での実験と矛盾しないものである。他端が薄膜のときの直管軸に沿った仕事流測定を解析するために、我々が提案した定在波モデルに基づく解析を行った。薄膜での反射係数を導入し、この係数が仕事流を説明することを提
案した。

6.

寒剤を用いない希釈冷凍機の開発（畑、矢野、小原、石川）
パルス管冷凍機が高額なため、より安価なGM冷凍機を用い、操作しやすいたドライ希釈冷凍機の開発をめざし、全く新しく設計を行い、製作を完成させて性能テストに入った。昨年度、50ｍK止まりと報告したが、ノイズ対策と温度シールドの改良により、40ｍ

6Kまで到達できるようになった。ただ、希釈冷凍機はもっと下がっているにもかかわらず、
温度計がノイズ等により浮いている可能性があることも分かってきた。そこで、より信頼できる温度計測のため、やや大型のセンサーとなるが磁気温度計の開発を行うこととした。

教育・研究業績
学術論文
1. Observation of the spiral flow and vortex induced by a suction pump in superfluid 4He;
H. Yano, K. Ohyama, K. Obara, and O. Ishikawa,
Journal of Physics: Conference Series, 969, 012002(1–5) (2018).
2. Vortex Emission from Quantum Turbulence Generated by Vibrating Wire in Superfluid 4He;
H. Yano, K. Sato, K. Hamazaki, R. Mushiake, K. Obara, and O. Ishikawa,
Journal of Low Temperature Physics, published online (2019)(DOI: 10.1007/s10909-019-02143-4)
3. Observation of Second Sound Attenuation Across a Superfluid Suction Vortex;
I. Matsumura, K. Ohyama, K. Sato, K. Obara, H. Yano, and O. Ishikawa,
Journal of Low Temperature Physics, published online (2019)(DOI: 10.1007/s10909-019-02164-z)
国際会議講演International Symposium on Quantum Fluids and Solids (QFS2018), University of Tokyo, Tokyo,
Japan (25–31 July 2018)
1. H. Tanabe (Poster): Development of cryogenic C-MOS and pHEMT amplifiers
2. H. Yano (Poster): Vortex emission from quantum turbulence generated in superfluid 4He
3. I. Matsumura (Poster): Vorticity of suction vortex observed by second sound in superfluid 4He
4. K. Hamazaki (Poster): Vortex emission from turbulence produced by counterflow in superfluid
4He
5. K. Sato (Poster): Power dependence of vortex emission generated by vibrating wire in He II
6. H. Yano (Talk): Vortex emission from quantum turbulence generated by vibrating wire insuperfluid 4He (Quantum turbulence workshop)
International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize inPhysics, Osaka City University, Osaka, Japan (December 12-13, 2018)
1. K. Obara (Poster): Vortex line density of superfluid suction vortex
2. K. Sato (Poster): Power dependence of vortex emission generated by vibrating wire in He II
3. K. Hamazaki (Poster): Vortex emission from turbulence produced by counterflow in superfluid4
He
学会・研究会講演
1. 日本物理学会 2018 年秋季大会（同志社大学，2018 年 9 月 9 日～12 日）① 佐藤浩司 (Talk): 超流動ヘリウム 4 中の振動ワイヤーが作る量子乱流の渦構造 II② 濵崎康佑 (Talk): 超流動 4He 熱対向流による乱流生成と渦環放出③ 松村樹 (Talk): 第二音波で観測する吸い込み渦の渦糸長密度2. 第 17 回低温工学・超伝導若手合同講演会（関西学院大学，2018 年 11 月 30 日）① 佐藤浩司 (Talk): 超流動ヘリウム４中の振動ワイヤーがつくる量子乱流の渦構造
3. 日本物理学会第 74 回年次大会（九州大学，2019 年 3 月 14 日～17 日）① 浜崎康佑 (Talk): 超流動 4He 中の振動ワイヤーが生成する量子乱流の渦構造と異方性

7

学位論文
修士論文
1. 佐藤浩司：「振動ワイヤーがつくる超流動ヘリウム 4 量子乱流の渦構造」
2. 田邊博隆：「細い円筒内の超流動ヘリウム 3 に対するNMR実験技術の開発」

研究助成金取得状況
1.
2.

石川修六：共同研究 アルバック・クライオ株式会社「希釈冷凍機の開発」２０４万円
石川修六：共同研究 株式会社ジェイテクト「熱音響冷凍システムの研究（２）」８５万円
3. 矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（B）「超流動ヘリウム流れ場における量子渦の運動状態の研究」２０１８年度分 ２１０万円
4. 矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費挑戦的研究（萌芽）「超流動ヘリウムの量子渦集中と巨大渦の研究」
２０１８年度分 １８０万円
5. 小原 顕：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（C）
２０１８年度分 １１０万円「毛細管中における超流動 3Heポーラー相の探索」

受賞
1.

佐藤浩司：低温工学・超伝導若手奨励賞受賞
伝導若手合同講演会）

2018 年 11 月 30 日（第 17 回低温工学・超

その他
地域貢献
1. 畑・石川・矢野・小原：低温工学関西支部基礎技術講習会（2018 年 9 月 26 日～28 日）

8光物性物理学研究室
鐘本勝一 准教授

岩本 晃典 (M2)保地 滉介 (B4)中橋 健太 (M1)早川 雄人 (B4)

研究概要
1. 分光計測からの電流電圧特性機構の推定（岩本、鐘本）
有機半導体は高輝度・軽量・フレキシブル等の特徴から、有機LEDなど様々な素子に応用されているが、その素子動作全般において電気伝導が深く関与している。そのキャリヤの振る舞いを調べるために、ダイオード動作と同期させた分光計測を実施した。測定された分光信号の強度から素子動作時のキャリヤ量を推定し、さらには方形波電圧印加時に発生するStark信号の強度から素子の内部電場を推定することに成功した。それらを総合し、分光法を中心として得られたミクロな情報から電流値を計算し、別途独立計測から得た電流値と比較した結果、分光計測の情報と電気計測情報を結びつけることに成功した。また、その分光法とESR測定を組み合わせることで、低電圧下ではキャリヤと励起子の中間体である電子正孔対は動作素子中で蓄積して存在するものの、電圧増加とともにその電流に及ぼす寄与が減少することを明らかにした。
2. 有機半導体におけるスピン流計測（中橋、鐘本)
近年、電子スピン角運動量の伝播を意味するスピン流が注目されている。中でも、強磁性金属のFMR遷移によるスピン流の発生（スピンポンピング法）と逆スピンホール効果（ISHE）によるスピン流の電気的計測を組み合わせた手法が提案され、スピン流研究の進展が期待されている。本研究では、有機物質を用いたデバイスに対し、スピンポンピングに伴われる素子電流の変化を電流検出ESR（EDMR）で観測することを試みた。その結果、FMR遷移に伴い、強磁性金属電極から有機層を貫く電流の変化が観測されることを見出した。特にその電流は、電圧の向きに依存し、強磁性電極側から電子キャリヤが注入される場合のみ起こることがわかった。そのことから、FMR遷移に伴い、有機層側にキャリヤが注入されることが示唆された。
3. 分子性LEDに対するESR計測の実施（早川、鐘本)
最近の我々の研究において、有機LEDが動作する際、キャリヤと励起子の中間状態である電子正孔対が素子内で発生し、そのバイアス印加下の挙動が電流計測ESRや発光検出ESRで追跡できることがわかっている。これまでの研究では、有機LEDとしてポリマー型半導体を用いてきたが、今回、電子エネルギー準位をデザインした分子性半導体材料からなる分子性LEDを用いることで、安定した電子正孔対を生成させることを試みた。
その結果、実際に電子正孔対の発生を示す発光検出ESRの信号計測に成功した。さらに、
電子正孔対の距離を離すことで信号の強度が操作できることがわかった。
4. イオン液体発光素子に対する分光計測（保地、鐘本)
近年イオン液体を用いた素子系に注目が集まっている。素子内にイオン液体が存在す
る場合、電極との界面にイオン液体による電気二重層が形成され、素子内の分子が強電場を受け、特異な物性が発現される。今回、ポリマー有機半導体とイオン液体の混合物からなる電気化学発光セルを作成し、その動作状態における分光計測を行った。その結果、電圧を3V以上に上げると強い発光が観測され、その発生に伴われて、ホールキャリ
ヤの信号が観測されることがわかった。ただし発光が強くなると逆にそのホール信号は減少した。この結果は、発光時の励起子生成反応により起こるホール消失が、バイアス

9印加によるホール増加を上回っていることを示している。これらの結果は、この分光計
測が、電気化学発光セルの動作過程の研究に有効であることを裏付けている。

教育・研究業績
学術論文
1. Shuto Hatanaka, Keigo Kimura, Takayuki Suzuki, and Katsuichi Kanemoto, “Exploring the
behavior of electron-hole pairs in working organic light emitting diodes” Physical Review
Materials 2, 115201, (6pages) (2018).
2. Katsuichi Kanemoto, Shuto Hatanaka, Takayuki Suzuki, “Correlation between bias-dependent
ESR signals and magnetic field effects in organic light emitting diodes”, Journal of Applied
Physics, vol.125, 125501 (7pages) (2019).
学会記事
1. 鐘本勝一、「光・ESR計測による有機半導体素子物性の評価」電子スピンサイエンス学会
誌、31巻117-120 2018年
学会・研究会講演
1. 岩本晃典、鐘本勝一、「有機ダイオードにおける電流電圧特性とEDMR強度の関係」第57回電子スピンサイエンス学会、北海道大学（2018.11.1-3）
2. 中橋健太、鐘本勝一、「有機半導体におけるスピン流発生時の素子電流測定」第57回電子
スピンサイエンス学会、北海道大学（2018.11.1-3）
3. 鐘本 勝一, 畑中 秀人, 岩本 晃典、「有機LED中の電子正孔対に対する電流検出及びEL
検出磁気共鳴」第66回応用物理学会春季学術講演会、東京工業大学（2019.3.9-12）

学位論文
修士論文
1. 岩本晃典：「有機半導体素子における電気伝導過程の分光学的評価」

研究助成金取得状況
1. 鐘本勝一（代表）、科学研究費補助金、基盤研究(B)（一般）「ESR誘起電流による有機素
子の新規スピンプローブ技術の開拓」、370万円
2. 鐘本勝一（代表）、東燃ゼネラル石油研究奨励・奨学財団、「有機系太陽電池における素子動作過程の直接分光モニタリングの実現」、100万円
3. 鐘本勝一（代表）、大阪市立大学戦略的研究（基盤研究）「電子スピン共鳴による誘起電流を利用した新規エレクトロニクス技術の開発」、120万円
4.

その他
受賞
1. 岩本晃典：第57回電子スピンサイエンス学会にて優秀ポスター賞を受賞

10

生体・構造物性研究室
南後 守
杉﨑 満

特任教授
准教授

三苫 重仁
橋本 健人

(M1)
(B4)

研究概要

Fluorescence Intensity (normalized)

1. ポルフィリン類の顕微分光法測定（橋本，杉﨑，南後）
クロロフィルはポルフィリン環を持ち，高等植物の光合成系において光捕集や励起エネ
ルギー移動，電荷輸送といった役割を担う．一方フタロシアニンは自然界には存在しないが，ポルフィリンと類似の構造を持つこと，また熱的，化学的に安定であること，有機合成の収率が高いことなどの理由から，電子材料や触媒，特に人工光合成材料として注目されている．天然の光合成系が機能を発現し効率よいエネルギー輸送を実現するためには，その構成要素である色素が光合成膜蛋白中に正しく配列される必要がある．その機構を理解するためには，天然の状態でエネルギー輸送を行っている様子をその場観測する方法論の確立が重要となってくる．ここで得られる知見は，天然の光合成系を模倣し人工光合成系を構築する際にも，有効に働くものと期待できる．このような目標を実現するために，
ポルフィリン類の微視的光学応答を顕微鏡法により調べた．
フタロシアニン微粒子を顕微鏡下で観測した場合，長さ数µmの針状の輝点が多数観測され，また個々の粒子の蛍光スペクトルは溶媒中に比べレッドシフトしていた．一方，クロロフィルの場合，数µmの輝点に加え回折限界以下の輝点が多数観測された．これらの蛍光スペクトルは，前者が溶媒中のそれと比較しレッドシフトをしているのに対し，後者は溶媒中とほぼ同じピークエネル
Wavelength (nm)
1000
800
600
ギーを持つことが分かった．まChlorophyll a in diethyl ether
1.0 macroscopic
た，回折限界程度の広がりを持
22000
つ輝点の中には，蛍光強度が時
18135
0.5
10158
間とともに大きく揺らぐ，いわ
5690
0
3187
ゆるランダムテレグラム現象
microscopic
1785
1.0
1000
を示すものが含まれることが
nano-particle
chunk
分かった．以上のことから，大0.5
きな輝点は分子集団が会合体
0
0
2
4
6
8
10
を形成した結果として現れた10000 12000 14000 16000 18000 20000
x (µm)
Wavenumber (cm )蛍光であり，また小さな輝点は非常に少数分子からの蛍光と 図1 （左図）クロロフィル微粒子の顕微蛍光イメージ．試料の調製考えられる．また，クロロフィ 方法により，数µmの大きな粒子から300nm以下の非常に小さな粒子
ルにおいて，高強度のレーザー となる．（右図）微粒子の顕微蛍光スペクトル．粒径が大きい場合，を照射した際に基底状態の枯 蛍光ピークが低エネルギー側に現れるが，粒径が小さくなるに従
渇現象に伴う蛍光強度の減少 い，高エネルギー側にシフトする．
が現れることも分かった．
10

y (µm)

8

6

4

2

0

-1

2. 光合成色素における電子と振動の励起状態に及ぼすチャープの影響（三苫，杉﨑）
近年，光受容性蛋白質において，光を用いてその応答を制御するという試みが盛んになされている．たとえば光合成色素蛋白複合体においては，反応効率を観測しながらその値が上昇，もしくは減少するように，超短パルス光を構成する位相と振幅を周波数ごとに少しずつ変化させながら，所望の結果が得られるように最適化を図るという方法がとられる．

11

600

600

580

580

wavelength (nm)wavelength (nm)

その結果として得られるパルス波形は非常に複雑なものとなり，反応効率が変化した物理的な背景を説明することが難しくなるという問題がある．
そこで我々は，まずは周波数に対し位相や振幅に
図2 光合成色素であるβ-カロテンの過渡回折信号の時間発展．励起光のチ
シンプルな変化を与えた
ャープ量を変化させると， 3次非線形光学応答が大きく変化する．右図に場合に，光合成色素の応
おいて数10フェムト秒周期に現れる構造は，コヒーレント分子振動を表
答がどのように変化してす．高エネルギー側に現れるコヒーレント分子振動の周期は，低エネルギ
いくかを調べた上で，段ー側のそれに比べほぼ2倍となっている．
階的にその要素を組み合わせていくことにより，前述の問題に対する答えを得るという試みを行っている．
電子の励起状態やコヒーレントな分子振動を生成し，その時間発展を追跡するためには
超短パルスが必要となるため，そのスペクトルは周波数的に広がりを持つ．試料に照射す
るスペクトルの位相を周波数に対し（すなわちチャープ量を）連続的に変化させたところ，電子の励起状態の寿命やコヒーレントな分子振動の生成割合をコントロールできることが分かった．現在のところ，励起状態の寿命は，励起状態における振動緩和と誘導放出過程の競合によって決まるものと考えている．また，コヒーレントな分子振動の生成割合は振動モードによって異なることも分かった．研究成果の一部を，論文[2]として発表した．
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3. 小型酸素センサーの開発（杉﨑，南後）
生体組織の酸素や二酸化炭素など濃度を非侵襲にリアルタイムで検出することは，細胞生物学や医療の分野において重要な課題となっている．生体組織中の酸素濃度を見積もる方法の一つとして，ポルフィリン誘導体やルテニウム錯体等の発光測定による酸素濃度測定法が知られている．この測定法においては，酸素濃度の変化に伴う酸素センサー試料の蛍光強度の変化を測定することとなるが，実際に医療現場で人体の酸素濃度測定を精度よく行うためには，たとえば患者が動いたために蛍光強度が変化した影響を取り除く必要が出てくる．また，試料の劣化に伴う蛍光強度の変化についても考慮しなくてはならない．このような問題を克服するために，酸素センサー試料のほかに基準となる蛍光物質が必要となる．そのため本年度は，無機物を中心にいOxcygen concentration (% )くつかの蛍光物質を用いた
図3 （左図）手の甲に貼り付けた酸素センサー試料の蛍光の様子．
（右酸素センサー試料の試作を図）酸素センサーの蛍光強度は周囲の酸素濃度に比例する．
行うと主に，その作製方法や構造についても検討を行っ
た．
4

I0/I

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25

教育・研究業績
学術論文
1. H. Emura, T. Noji, M. Kondo, Y. Amao, and M. Sugisaki, "Anti-Stokes fluorescence from chlorophyll

12

2.

a," J. Phys.: Conf. Ser. 1220 (2019) 012043/1-4.
S. Ooi, S. Mitoma, M. Nango, Y. Amao, and M. Sugisaki, "Transient grating spectroscopy of
β-carotene pumped with spectrally chirped pulses," J. Phys.: Conf. Ser. 1220 (2019) 012045/1-4.

学会・研究会講演
1. 杉﨑満，南後守，天尾豊，「フタロシアニンおよびクロロフィルの顕微蛍光観測」，日本物理学会
2018 年秋季大会，同志社大学 京田辺キャンパス，2018 年 9 月 9 日～12 日．
2. 三苫重仁，南後守，天尾豊，杉﨑満，「波形成型した励起光を用いたβ-カロテンの四光波混合信号」，日本物理学会 第 74 回年次大会(2019 年)，九州大学 伊都キャンパス，2019 年 3 月 14 日～
17 日．
3. 杉﨑満，橋本健人，南後守，天尾豊，「クロロフィル a の顕微蛍光観測」，日本物理学会 第 74 回年
次大会(2019 年)，九州大学 伊都キャンパス，2019 年 3 月 14 日～17 日．

研究助成金取得状況
1.
2.

杉﨑満：学術振興会・基盤研究B「3パルス超解像度顕微鏡の開発とそれを用いた光合成
初期過程の可視化」100万円．
杉﨑満：株式会社カテラ，共同研究費「小型酸素（バイオ）センサーの開発」216万円．

13素励起物理学研究室
坪田
竹内

誠
教授
宏光 講師

湯井悟志(D3:学振DC1)
韓 俊植(M2)
乾 聡介(M1)

C.-H. Hsueh(客員研究員)

研究概要
1. 乱 流 の エ ネ ル ギ ー カ ス ケ ー ド の 観 測 （ 坪 田 ）乱流は、エネルギースペクトルのコルモゴロフ-5/3則に代表されるような統計則に従う。
そして３次元乱流の場合、エネルギーが低波数から高波数に流れるエネルギーカスケードによってこうした統計則が作られることが知られている。しかしこれまでこのようなエネルギーカスケードは古典乱流・量子乱流を通じて観測・確認されたことが無かった。ケンブリッジグループは、原子気体ボース・アインシュタ
イン凝縮体(BEC)を箱形ポテンシャルに閉じ込め振動を加えることで乱流を作り、Time of Flightで運動量分 布 が 特 徴 的 な べ き 則 に 従 う こ と を 観 測 し た (N.
Navon et al., Nature 539, 72(2016))。我々はその続編として、エネルギーカスケードの観測に成功した。基本的
図1 エネルギーカスケード観測の機構なアイデアは図１のとおりである。当初BECを起こした①BECの粒子が箱型ポテンシャルに閉じ粒子はポテンシャル障壁を超えることができない。し込められている。これらの粒子は低波数
かし、乱流のカスケードが高波数に進行し、ポテンシを持つ。
ャル障壁を超える運動エネルギーを持つ粒子が現れる② BECを振動させ乱流を作るとエネルギと、それは箱形ポテンシャルの外に出る。そうした粒
ーカスケードが進行し低波数から高波数
子数ロスを観測し、エネンルギーカスケードのフラッへエネルギーが流れる。
ク ス を 求 め た 。 巨 視 的 波 動 関 数 の③ 粒子のエネルギーがポテンシャルをGross-Pitaevskii(GP)方程式の数値計算を行い、こう越えると箱から飛び出る。その粒子数をした描像が正しいことを確認した。本研究は、イギリ観測してエネルギーカスケードの観測に
ス・ケンブリッジ大学、東京大学との共同研究である。
成功した。
2. 超 流 動 ヘ リ ウ ム 表 面 に お け る 微 粒 子 と 量 子 渦 の 異 常 運 動 (坪 田 、 乾 )超流動ヘリウムの自由表面のプローブとして、微粒子を用いる研究は長い歴史がある。理化学研究所のグループは、表面上に捕獲された微粒子群の中で、異常な運動を起こす粒子が存在することを観測した(図２)。我々は、微粒子と量子渦の結合がこうした異常運動を起こすと考え、量子渦糸モデルに基づく数値計算を行った。典型的な状況を図３に示す。
こうした状況で微粒子と量子渦の結合運動を調べ
図2 観測された微粒子の運動。ほぼ静止してると、確かに微粒子は観測されたような異常運動をいる微粒子群の中に、長駆する微粒子が見られる。線は各微粒子の運動の道筋を示す。
行うことが示された。本研究はプレスリリースを行14

い、日刊工業新聞その他で騒動された。本研究は、理化学研究所およびドイツ・コンスタンツ大学との共同研究である。
3.
2成 分 BECの 量 子 渦 の 相 分 離 (坪 田 、 韓 )前年度に引き続き、２成分BECの量子渦の相分離について理論的・数値的に調べた。前年度に、成分間相互作用g12が大きくなると、２成分の量子渦が相分離を起こすことは見いだしていたが、その条件を詳細に調べた。その結果、図４に示すような相図であることがわかった。成分内相互作用gに対し、
g12/gが0.6より小さい時は、両成分はほぼ独立にOnsager渦と呼ばれる巨大渦を形成する。ところが、g12/gが0.6を超えると量子渦の相分離が起こる。この臨界値が何で決まるかを、渦間相互作用の考察から明らかにした。
4. ス ピ ノ ー ル BECに お け る 複 合 欠 陥 の 実 現（ 竹内）
冷却原子気体スピノール・ボース・アインシュ
タイン凝縮体において，ドメイン壁と半整数量
子渦からなる複合体（複合欠陥）の直接観測に初めて成功した．この研究はソウル国立大学の実験グループとの共同研究であり，竹内が理論を一手に担った．この複合欠陥は量子クエンチ
によってBECを反強磁性相からポーラー相へと相転移させることで生成される．複合欠陥の構造と安定性は2次ゼーマン効果によって特徴づけられる長さスケールで決まり， 2次ゼーマン
効果が小さいときに複合欠陥は比較的安定であることを明らかにした．
5. 離 散 的 対 称 性 の 破 れ に 伴 う ド メ イ ン 形 成時の小さいドメインの内部構造（竹内）
離散的（Z2）対称性の自発的破れを伴う相転移
ダイナミクスにおけるドメインサイズ分布について，小さいドメインの統計的寄与を評価した．2次元系の秩序化過程および2成分超流体の相分離過程を想定し，ドメインの面積やドメイン壁の長さ，渦度の分布について，小さいドメインの内部構造の寄与は統計的に無視できることを解析的に示した．

15

図3 液面の微粒子が量子渦(青い線)に捕獲された状態の模式図

図．理論的に解明された複合欠陥の構造．
𝑚" = 0 成分のドメイン壁の内部は ，𝑚" =± 1成分によって満たされており，ドメイ
ン壁の端点には半整数量子渦（HQV）が存在する．

図．円状のドメインの内部構造の概略図．内部構
造 の 寄 与 は 面 （ 𝑆" , 𝑆"$ ） の 面 積 ， 閉 じ た 線（ 𝐿" , 𝐿"$ ） の 長 さ ， お よ び ， 閉 じ た 経 路
̅ ）に沿った循環について積分を実行（𝐶" , 𝐶"$ , 𝐶"̅ , 𝐶"$することで計算される．

教育・研究業績
学術論文
1. Nir Navon, Christoph Eigen, Jinyi Zhang, Raphael Lopes, Alexander L. Gaunt, Kazuya Fujimoto,
Makoto Tsubota, Robert P. Smith, Zoran Hadzibabic
Synthetic dissipation and cascade fluxes in a turbulent quantum gas
Science (in press) (2019)
2. P. Moroshkin, P. Leiderer, K. Kono, S. Inui, and M. Tsubota
Dynamics of the Vortex-Particle Complexes Bound to the Free Surface of Superfluid Helium
Phys. Rev. Lett.122, 174502 (2019)
3. Junsik Han and Makoto Tsubota
Phase separation of quantized vortices in two-component miscible Bose–Einstein condensates in a
two-dimensional box potential
Phys. Rev. A 99, 033607 (2019)
4. Che-Hsiu Hsueh, Russell Ong, Jing-Fu Tseng, Makoto Tsubota, and Wen-Chin Wu
Thermalization and localization of an oscillating Bose-Einstein condensate in a disordered trap
Phys. Rev. A 98, 063613 (2018)
5. Toshiaki Kanai, Wei Guo and Makoto Tsubota
Merging of Rotating Bose–Einstein Condensates
J. Low Temp. Phys. 195, 37(2019)
6. Seji Kang, Sang Won Seo, Hiromitsu Takeuchi, and Yong-il Shin
Observation of wall-vortex composite defects in a spinor Bose-Einstein condensate
Phys. Rev. Lett. 122, 095301 (2019)
国際会議会議録
1. Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsubota
Numerical Study on Entrance Length in Thermal Counterflow of Superfluid 4He
J. Low Temp. Phys. 196, 35(2019)
2. Hiromitsu Takeuchi
On the Internal Structure of Smaller Domains in Domain Coarsening Dynamics of Spontaneous
Z2-Symmetry Breaking in Two Dimensions
J. Low Temp. Phys. 196, 314-320 (2018)

国際会議講演
1. [Invited] Hiromitsu Takeuchi
Length scale hierarchy in phase transition dynamics of spontaneous symmetry breaking in
multi-component Bose-Einstein condensates
VORTEX DYNAMICS, TURBULENCE AND RELATED PHENOMENA IN QUANTUMFLUIDS, Natal, Brazil, 6.24-7.5 (2019)
2. H. Takeuchi, L. F. Cugliandolo, and M. Picco
Critical percolation in early-stage quench dynamics with spontaneous discrete symmetry breaking
in a two-dimensional Continuum
StatPhys27: Internatinal Conference Statistical Physics, Buenos Aires, Argentina, July, 8-12
(2019)

16

3. H. Takeuchi
Domain-area distribution in phase-separating two-component Bose-Einstein condensates
StatPhys27: Internatinal Conference Statistical Physics, Buenos Aires, Argentina, July, 8-12
(2019)QFS2019: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Edmonton, Canada, August 7-13,
2019
4. Makoto Tsubota (Plenary)Hydrodynamics and turbulence in quantum fluids
5. Sousuke Inui, Makoto Tsubota
Formation of localized vortex tangle around a spherical heat source in superfluid helium
6. Tomo Nakagawa, Sousuke Inui, Makoto Tsubota, Hideo Yano
Statistical laws and self-similarity of a vortex tangle emitted from a vortex tangle in superfluid
4He
7. Yuto Sano, Makoto Tsubota, Kazuya Fujimoto, Nir Navon
Anisotropy of wave-turbulent cascades in a quantum gas
8. Satoshi Yui, Hiromichi Kobayashi, Makoto Tsubota
Elementary process of coupled dynamics between quantized vortex and normal fluid in superfluid
4He
9. Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsubota
Energy transfer caused by coupled dynamics between quantized vortices and normal fluid insuperfluid 4He
Quantum Turbulence Workshop, Edmonton, Canada, August 11, 201910.
S. Inui, M. Tsubota
Formation of localized vortex tangle around a spherical heat source in superfluid Helium
11.
S. Yui, H. Kobayashi, M. Tsubota
Energy transfer caused by coupled dynamics between quantized vortices and normal fluid insuperfluid 4He
12.
Makoto Tsubota (Invited)
Hydrodynamics and turbulence in quantum fluids
Workshop “Turbulence of all kinds”, Nambu Yoichiro Institute of Theoretical and Experimental
Physics (NITEP), Osaka City Univeristy, Osaka, April 25-26, 2019.
13.
Makoto Tsubota(Invited)
Recent topics of quantum hydrodynamics and turbulence
Physics of Cold Atom Gases: Ordered and Chaotic Aspects, Institute of Advanced Studies of the
University of Sao Paulo, University of Sao Paulo, Brazil, April 15-18, 2019.
Quantum Turbulence: Cold Atoms, Heavy Ions, and Neutron Stars, Institute for Nuclear Theory,
University of Washington, USA, March 18-29, 2019.
14. Makoto Tsubota(Invited)
Recent topics of quantum hydrodynamics and turbulence
15. Junsik Han
Phase separation of quantized vortices in two-component miscible Bose–Einstein condensates in a
two-dimensional box potential
16. Sosuke Inui
Formation of localized vortex tangle around a hot spot in superfluid 4He
International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize inPhysics, Osaka, December, 12-13, 201817. J. Han, M. Tsubota
Vortex phase separation in two-component Bose-Einstein condensates
18. S. Inui, M. Tsubot, P. Moroshkin, P. Leiderer, K. Kono
Dynamics of fine particles due to quantized vortices on the surface of superfluid 4He

17

学会・研究会講演1. 坪田誠Recent topics in quantum turbulence
第5回 量子渦と非線形波動、東京理科大学、2018.12.6
2. [Invited] 竹内宏光
相分離する2成分超流体の秩序化過程
研究会「超流動3HeおよびスピノールBECにおけるトポロジカル相・励起」，近畿大学，東大阪キャンパス，12. 22-23 (2018)
日本物理学会、2018年秋季大会、同志社大学、2018.9.10
3. 乾聡介、坪田誠、Peter Moroshkin、Paul Leiderer、河野公俊
超流動4Heにおける微粒子の量子渦による異常運動
4. 韓俊植、坪田誠
2成分Bose-Einstein凝縮体中での量子渦の相分離

学位論文
博士論文
1. 湯井悟志「超流動4Heにおける非一様量子乱流の理論的研究」

修士論文
1. 韓俊植「2次元2成分Bose-Einstein 凝縮体中の量子渦のダイナミクスと集団構造の形成」

研究助成金取得状況
1. 坪田誠：科研費基盤研究(C)「超流体・常流体完全結合ダイナミクス」
80万円
2. 竹内宏光：科研費基盤研究(C)「多成分超流体における秩序化過程のパーコレーションと動的統計則」
180万円
3. 竹内宏光：科研費基盤（B）（分担）「散乱長の時空間制御で開拓する量子縮退気体の新奇な非平衡ダイナミクス」
10万円
4. 湯井悟志：日本学術振興会特別研究員奨励費「超流動ヘリウム4の量子乱流における２流体結合ダイナミクスの理論的研究」
60万円

受賞
1. 乾聡介が、日本物理学会(領域6)の学生優秀発表賞を受賞した。
2. 湯井悟志が、QFS2019: International Conference on Quantum Fluids and Solids,でポスター賞を
受賞した。

18

その他
1. 坪田誠：市民特別セミナー2018 講演会「宇宙の謎を解く鍵 －南部先生が見つけたもの－」～南部陽一郎大阪市立大学特別栄誉教授ノーベル物理学賞受賞 10 周年記念～「量子乱流-今よみがえるダ・ヴィンチのメッセージ-」
2. 学術論文 2 の研究のプレスリリースを行い、日刊工業新聞等で報道された。
3. ネットサイト「リケラボ」(https://www.rikelab.jp)で坪田のキャリアが紹介された。

19

電子相関物理学研究室
小栗 章 教授
西川 裕規 講師
寺谷 義道 (D3)

毛見拓郎 (M2)堤 和彦 (M2)橋本 将史 (M1)

一町 ほのか (M1)和氣 康平 (B4)
魚住 柚月 (B4)

研究概要
本研究室では、固体中の電子系が織りなす多彩な量子状態に関する理論研究を行っている。主として、カーボンナノチューブや半導体ヘテロ接合の量子井戸などの微細加工により作成された
量子ドットおよび関連するナノ物質系を対象とし、磁性や電気伝導などの物性に与える電子間相互作用の効果を、場の量子論や数値・計算物理学的な方法を駆使した研究を進めている。特に、多重量子ドットや複数の軌道を持つ量子不純物系の量子相転移や近藤効果、量子ゆらぎ、および超伝導体と接続された量子ドット系におけるクーパー対と電子間斥力の競合などについて調べて入る。また、2014 年度から大阪大学理学研究科小林研介教授代表の科研費基盤 (S) の研究に参加し、カーボンナノチューブ量子ドットの近藤効果と非平衡電流ゆらぎに関して、実験グループと密接に連携した共同研究を進めている。
研究の概要は次の通りである：[1] カーボンナノチューブ、および 2 重量ドットにおける SU(4)近藤状態と SU(2) 近藤状態のクロスオーバーと量子相転移に関する数値くりこみ群 (NRG) による研究。[2] 超伝導体と接合された量子ドット系における Andreev 散乱、Josephson 位相、長岡強磁性、近藤効果の競合、および量子相転・クロスオーバー移関する研究。[3] 多数の局在軌道を持つ
量子ドット系の低エネルギー状態、および非平衡定常状態に対する有効理論の定式化とスペクト
ル関数、および高バイアス極限からの展開に関する研究。[4] 不純物 Anderson 模型を用いた非平衡近藤効果の低エネルギー Fermi 流体領域に関する研究。[5] 量子不純物系に於ける量子相転移とLuttinger-Friedel 総和則に関する研究。[6] ４重量子ドット上の Lieb 磁性と Nagaoka 強磁性と近藤効果の競合に関する研究。
以下に、[1]〜[6] について、詳細を記す。

[1] 多数の軌道を持つ量子不純物系では、局在準位を占有する電子間のクーロン斥力、Hund 結合、および混成する連続スペクトルを持った伝導電子チャンネル数により、SU(4) 対称性などを持った多彩な Kondo 状態や、非 Fermi 流体状態が実現される。本研究室では、多方面からこれらの系の量子相転移・クロスオーバーに関する研究を進めている：
カーボンナノチューブ量子ドットに関して、小林研究室（大阪大学）と共同を進めている。
この系では、ナノチューブの軸回りを左右に回る電子軌道による軌道縮退のため、局在電子
軌道はスピン自由度を含めて 4 重に縮退している。高精度の非平衡電流およびノイズの測定から低エネルギーの Fermi 流体状態を特徴づけるパラメータである Wilson 比が決定され、結果は Anderson 模型に基づく理論計算とよく一致することを実験・理論の協力により明らかにした。測定に用いた量子ドットでは印加するゲード電圧に応じて SU(4) および SU(2) のどちらも実現されるが、どちらの場合もコンダクタンスおよび電流ノイズの実験とと対応する数値くりこみ群による計算結果には良い一致が見られ、低エネルギー領域における Fermi
流体的振る舞いを矛盾なく説明できることが分かった。また、局在電子軌道の占有数が 2 個の付近では SU(4) 近藤状態に磁場を印加した場合に、磁場中においてもコンダクタンスに近藤効果に特有である平坦なゲード電圧依存性が観測された。実験と理論との総合的な比較
から、観測に用いられたカーボンナノチューブ量子ドットでは軌道のゼーマン分裂とスピン
ゼーマン分裂が同程度の大きさで相殺し、磁場中でも 2 重縮退が残り得ることが分かった。
これらの結果は、実験は磁場の増大による SU(4) から SU(2) 近藤状態へのクロスオーバーを観測したものと解釈できることを示している。さらに，コンダクタンスの温度依存性に関する理論と実験の比較、およびスペクトル関数に対する理論計算を含めた総合的な検討を進
めている。

20

[2] 超伝導体との接合系に関する研究では、単一量子ドット系に加え、超伝導リードと常伝導リードからなる 3 端子に接続された 3 角形 3 重量子ドットに関する研究を行っている。これ
らの系の基底状態は、超伝導リードとの接続により変化し、Josephson 位相、Andreev 散乱、および近藤効果が競合する多彩な変化を見せる。3 角形 3 重量子ドットでは、スピン一重項
基底状態と２重項基底状態の間の間の準位交差が起り得る。これは局在電子軌道の縮退、あるいは長岡強磁性に起因する高スピン状態に起因し伝導電子による局所モーメントの完全遮
蔽と不完全遮蔽の量子相転移として現れる。我々は、それぞれの量子相の中にも、クロス―
オーバーを通じて基底状態の性質のことなるいくつかの領域が現れることを見出した。さらに、クーパー対の量子のもつれ、および交差 Andreev 散乱に起因する非局所電気伝導などについても研究を進めている。我々の理論研究は、平衡・動的性質を、数値くりこみ群および Green 関数を求める拡張（完全基底系密度行列と自己エネルギーを併用した NRG）等を用いた精密な方法を用いたものである。
[3] 電子相関の解明には、問題を取り扱う理論・定式化の発展も欠くことができない。我々は、軌道縮退のある量子不純物・量子ドットを記述する代表的なモデルである SU(N ) 対称性を持つ Anderson 模型に関して、1/(N − 1) 展開という方法を定式化した。ここで、N は軌道縮退数である。量子不純物系では従来 N が大きな場合からの解析的なアプローチとして、
Non-Crossing Approximation(NCA) などが用いられてきたが、それらは不純物電子と伝導電子との混成項 v の摂動展開に基づくものである。我々の展開法は電子間斥力 U の摂動展開に基づくき、1/(N − 1) のゼロ次は Hartree-Fock 近似、1/(N − 1) の 1 次で Random Phase
Approximation(RPA)、1/(N − 1) の 2 次からスピンや電荷の量子ゆらぎによる電子相関効
果が系統的に記述される。我々は、これまで 1/(N − 1) の 2 次までの計算を行い数値くりこみ群なども併用し低エネルギーの振る舞いを調べ、この方法の有効性を示した。
また発展として、振動数 ω の有限な領域における振る舞いを含めた、より広いエネルギー範
囲を視野にいれた拡張を行っている。その成果のひとつとして、 高エネルギー領域の振る舞いに関して発展が挙げられる：我々は 熱的場の理論の拡張された Hilbert 空間に対応する
Liouville-Fock 空間を用い、Anderson 模型の非平衡 Green 関数が高バイアスの極限における厳密解を導出し、高エネルギー領域における相互作用する電子系のダンピング効果が非エ
ルミート有効ハミルトニアンによって決定されることを示した。このような逆の極限から、有限バイアス領域への拡張についても検討を進めている。

[4] 相互作用する電子系の低エネルギーの性質は、Fermi 流体や Tomonaga-Luttinger 流体、あるいは Majorana 励起などを含む、量子多体系の基底状態の波動関数の特徴によって決定される。これらの普遍的な振る舞いがエネルギーの上昇に伴いどのような変化を示すかは、低エネルギー励起量子状態の性質が強く反映される。我々は、低エネルギー Fermi 流体状態に関する微視的理論の、電子正孔対称性がない場合に対する拡張を進めている。
特に最近、電子-正孔非対称な Anderson 不純物模型の Green 関数の低エネルギーにおける漸近形を, 厳密に求めることに成功した：近藤効果の低エネルギー領域では、輸送係数に Fermi
流体に特徴的な振動数 ω 、温度 T 、バイアス電圧 eV に対する 2 乗の依存性が見られる。この依存性には準粒子間相互作用の効果が、二通りの寄与を通して現れる。一つは散乱による準粒子のダンピング、もう一つは準粒子エネルギーの補正であり、それぞれ自己エネルギーΣr (ω, T, eV ) の虚部、実部に対応する。虚部の振る舞いは良く知られているが、実部の ω 2 、
T 2 、(eV )2 の項の係数についてはこれまで厳密なことは分かっていなかった。我々の研究では、この問題に対する完全な解答を与えた [Phy. Rev. Lett. 120, 126802 (2018) ]。より詳細に述べると、Ward 恒等式等の場の量子論の方法を用いて、実部の ω 2 、T 2 、(eV )2 の項の係数の厳密な表式が、不純物準位を占有する電子数のゆらぎに関する３体の非線形感受率によって完全に決定されることを示した。我々の研究では、関連論文 [C. Mora et al., Phys.
Rev. B 92, 075120 (2015)] で現象論的に展開された議論に微視的かつより一般的な証明を与え、さらに実部を決定するために必要な 3 体の相関関数の表式と独立な成分の数を明らかにした。これらの結果によって、電子-正孔非対称な場合おける輸送係数の系統的な計算を21

行うことが可能になった。さらに、熱伝導 T 2 項に現れ多体効果、およびの非線形電流ゆら
ぎへを含めた理論の拡張も行っている。

[5] 伝導電子系にそれぞれ結合している２つの局在軌道が反強磁性的に相互作用している系では、その反強磁性的相互作用による２つの局在軌道間の局所的反強磁性秩序相と伝導電子による
Kondo 効果が競合する。ここで反強磁性的相互作用が、ある臨界値より大きいと、局所的反強磁性秩序の方が実現するという量子相転移が存在する。電子正孔対称性がある場合は、局所的反強磁性相の基底状態への局在軌道の寄与はゼロであるが、この系に磁場を印加すると、両相で局在軌道の寄与がゼロでない Fermi 液体で記述できる基底状態が量子臨界点を挟んで存在することになる。我々はこの量子臨界点を挟んで Luttinger-Friedel 総和則が整数性を伴って破れることを見出した。これは自己エネルギーの周波数微分（電子相関効果）を含
む Luttinger 積分が半整数値をとる事と同値である。この研究では、系を繰り込まれた摂動論と数値繰り込み群で解析した。繰り込まれたパラメータを用いて Luttinger-Friedel 総和
則による局在軌道中の電子数と、数値繰り込み群から直接的に計算した電子数を比較した。
その結果、高磁場相では２つの電子数はよく一致するが、低磁場相においては、総和則による電子数は一様に一定の（半）整数性を持ってずれていることを見出した。この整数性により、この量子臨界点はトポロジカルな性質を持ち、系のパラメータの変化に対して量子臨界点は安定に存在でき、Luttinger 積分が電子相関由来のトポロジカル不変量の役割を果たすことを指摘した。
[6] ４重量子ドット上の Lieb 磁性と Nagaoka 強磁性のスピン状態が、これらに接続した 2 つの電子溜の伝導電子による Kondo 効果でどのように遮蔽するのかを研究した。4 重量子ドットのパラメータ空間で、スピントリプレット状態である Lieb フェリ磁性と、スピンカルテット状態である Nagaoka 強磁性の領域と量子状態を詳細に研究した上で、その状態への Kondo
効果の影響を研究した。各磁性状態の量子状態を反映して、Kondo 効果による遮蔽は 2 段階
で起こる領域と 1 段階で起こる領域があることを見出し、この系が多彩な振る舞いをすることを明らかにした。

教育・研究業績
学術論文
1. Rui Sakano, Akira Oguri, Yunori Nishikawa, and Eisuke Abe. “Bell-state correlationsof quasiparticle pairs in the nonlinearcurrent of a local Fermi liquid”, Phys. Rev. B 99,
155106 (2019), 7 pages.
2. Yunori Nishikawa, Oliver J. Curtin, Daniel J. G. Crow and Alex C. Hewson. “Magnetic
field induced quantum criticality and the Luttinger sum rule”, Phys. Rev. B 98, 104419(2018), 5 pages.
3. 小栗 章、“近藤効果・ゼロ次元 Fermi 流体の非線形量子輸送”, 日本物理学会誌 73, No. 11,
750-751 (2018).
4. 阪野 塁、小栗 章、 “非平衡状態にある近藤効果 (その 1) 非平衡グリーン関数入門 , 『固体物理』53, No. 6, 279–303 (2018) [ISSN:04544544].

22

国際会議講演
1. Akira Oguri, and Yoshimichi Teratani, “Higher-order Fermi-liquid corrections for thermoelectric transport through an Anderson impurity”, American Physical Society March Meeting (March 4-8 2019, Boston, USA).
2. Yoshimichi Teratani, and Akira Oguri,“ Fermi liquid corrections for non-equilibrium transport through an SU(N) Anderson impurity with arbitrary electron fillings”, American Physical Society March Meeting (March
4-8 2019, Boston, USA).
3. Rui Sakano, Yunori Nishikawa, Akira Oguri, and Eisuke Abe,
“A measurable form of Bell’s correlation of spin currents across a double dot in the Kondo
regime”, American Physical Society March Meeting (March 4-8 2019, Boston, USA).
4. Akira Oguri, “Fermi liquid theory for non-equilibrium Kondo eﬀect”,
Shanghai University – Osaka City University Symposium on Physics(December 27-28,
2018, Osaka City University).
5. Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Three body correlations in non-equilibrium current
through SU(N) Anderson impurity , International Symposium in Honor of Professor
Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics (December 12, 2018, Osaka
City University).
6. Kazuhiko Tsutsumi, Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Rui Sakano, Eﬀects of asymmetriccouplings and bias voltages on nonlinear transport of a local Fermi liquid , International
Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize inPhysics (December 12, 2018, Osaka City University).
7. Takuro Kemi, Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Fermi-liquid corrections to nonlinear
transport through Anderson impurity at finite magnetic fields , International Symposiumin Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics(December 12, 2018, Osaka City University).
8. Kazuhiko Tsutsumi, Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Rui Sakano, Eﬀects of asymmetriccouplings and bias voltages on nonlinear transport of a local Fermi liquid , Shanghai
University – Osaka City University Symposium on Physics (December 27-28, 2018, Osaka
City University).
9. Takuro Kemi, Yoshimichi Teratani, Akira Oguri, Fermi-liquid corrections to nonlinear
transport through Anderson impurity at finite magnetic fields , Shanghai University –Osaka City University Symposium on Physics (December 27-28, 2018, Osaka City University).

23

学会・研究会講演
1. 寺谷義道, 小栗章, 「SU(N)Anderson 不純物の非平衡電流におけるフェルミ流体効果：3 体
相関の数値くりこみ群による研究」, 日本物理学会 (2019.3. 14–17 九州大)
2. 堤和彦, 寺谷義道, 小栗章, 阪野塁, 「Anderson 不純物の非線形応答に対するトンネル結合の非対称性の効果」, 日本物理学会 (2019.3. 14–17 九州大)
3. 毛見拓郎, 寺谷義道, 小栗章, 「磁場中の非平衡電流および熱伝導に対するフェルミ流体効果の局所電子数依存性」, 日本物理学会 (2019.3. 14–17 九州大)
4. 阪野塁, 小栗章, 「3 端子量子ドットに生成されたベル状態」, 日本物理学会 (2019.3. 14–17
九州大)
5. 寺谷義道, 小栗章, 「電子正孔非対称な多軌道 Anderson 模型の 3 体相関」, 科学費基盤 (S) ”
メゾスコピック系における非平衡スピン輸送の微視的理解とその制御”研究会 (2018.11.22-23
東大物性研)
6. 小栗章, 寺谷義道, 阪野塁, 「多軌道・電子−正孔非対称 Anderson 不純物に対する高次 Fermi
液体補正 II」, 日本物理学会 (2018.9. 9–12 同志社大)
7. 寺谷義道, 小栗章, 「N 重に縮退した準位を持つ Anderson 不純物の高次 Fermi 液体補正：
1/(N-1) 展開と NRG による研究」, 日本物理学会 (2018.9. 9–12 同志社大)8. 秦徳郎, 荒川智紀, Lee Sanghyun, 小林研介, Meydi Ferrier, Raphaëlle Delagrange, Richard
Deblock, 寺谷義道, 小栗章, 阪野塁, 「近藤効果における 3 体相関の実験的検出」, 日本物理学会 (2018.9. 9–12 同志社大)

学位論文
修士論文
1. 毛見 拓郎：磁場中の量子不純物系の熱電気輸送係数に対する高次フェルミ流体効果
2. 堤 和彦：非平衡近藤系の低エネルギー状態に与えるトンネル結合およびバイアス電圧の非対称性の効果研究助成金取得状況
1. 小栗章 (代表)：学術振興会・基盤研究 (C) 「メゾ・ナノスケール系における量子凝縮相の多電子相関と電流ゆらぎに関する理論的研究」90 万円 (直接経費)
2. 小栗章 (分担)：学術振興会・基盤研究 (S) 「メゾスコピック系における非平衡スピン輸送の微視的理解とその制御」90 万円 (直接経費)

海外出張および海外研修
1. 西川 裕規：英国インペリアル・カレッジ・ロンドン、
2019 年 2 月 28 日 〜 2019 年 3 月 21 日、研究打ち合わせ
2. 小栗 章：アメリカ合衆国、2019 年 3 月 3 日〜2018 年 3 月 10 日、
APS March meeting (Boston) 出席・発表
3. 寺谷 義道：アメリカ合衆国、2019 年 3 月 3 日〜2018 年 3 月 10 日、
APS March meeting (Boston) 出席・発表

24レーザー量子物理学研究室
井上 慎
加藤宏平

教授
特任助教

長谷秀秋(M2)
大前真秀(M1)
小林一平(M1)
Janek Fleper(特別研修学生)

谷澤昂樹(B4)

研究概要
1. ２原子種同時ボース・アインシュタイン凝縮の実現（加藤、井上）
前年度にルビジウム原子のボース・アインシュタイン凝縮体の生成には成功していたので、本年度最初の実験課題は、カリウム原子のボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)の実現であった。光源を用意してカリウム原子のレーザー冷却も行い、磁気トラップ中
にてルビジウム原子による協同冷却を行うことで、2原子種の同時縮退に成功した。原子数は２原子種ともに約5×10^4個程度で、以降の実験には十分の大きさであった。カリウ
ム原子とカリウム原子の間、及びカリウム原子とルビジウム原子の間にはフェッシュバ
ッハ共鳴があるため、相互作用を制御した量子縮退気体の実験が可能になった。続いての課題は、原子気体を磁気トラップから光トラップへ移行することである。特に光トラップへの移行のタイミングを工夫することでBEC中の原子数の揺らぎを低減できる予定である。

図 1 2原子種の同時BEC。
左はカリウム原子(TOF 21.7ms)、右はルビジウム原子(TOF 25.4ms)の吸収像。
イメージのサイズは356um×356um

2. 箱型ポテンシャルの生成（Fleper、加藤、井上）
混合量子縮退の研究では、通常の調和型のトラップではなく、原子気体の密度が一様になる箱型のトラップ(Box trap)を使用する予定であり、その開発に着手した。箱型トラップの形状は混合BECの相分離の様子や量子渦の直接観測を行う為に、水平方向はBECの回復長より十分大きな直径60um程度の円筒状の閉じ込めにする一方、鉛直方向は２原子種に働く重力の違いからくる位置のずれを無視できるように強く閉じ込めることに決定した。ポテンシャルの生成には、斥力を及ぼす正に離調したレーザー光を用い、鉛直方向からはリング型に整形したビーム、水平方向からは浅い角度で交差する斜め光格子を組み合わせる事に決定した。
トラップ光の波長は755nmに決定した。波長の選定には、半導体レーザーが使用可能な波長域であること、実験装置のガラスセルの透過波長域であることを考慮した。光散乱
レートが気になるが、数秒程度の実験には支障がないことを計算により確認した。トラ
ップ光の形状の作成には当初デジタル・ミラー・デバイス(Digital Mirror Device, DMD)の使用を試みたが、回折を使うために光の利用効率が悪く(~数%程度)、十分な斥力ポテン
シャルが得られないことが分かった。従って、水平面内の閉じ込めにはアキシコンレン

25ズを用いて作成したリング状のビームを用いることとした。テスト系で一様なトラップの生成を確認した。原子のトラップに必要なパワーを得るために、外部共振器半導体レーザーの出力をテーパー型増幅器で増幅する事にした。

図 2

アキシコンを用いたリングビームの生成方法（左図）とテストイメージ（右図）

3. ガスセルを用いたラビ周波数の空間イメージング（長谷、加藤、井上）
ボース・アインシュタイン凝縮体をはじめとする冷却原子の実験において、pパルスな
どの強力な電磁波（ラジオ波、マイクロ波）による原子核スピンの制御は非常に重要である。電磁波が強ければ強いほど、高速にスピンを反転することができ、無駄な原子ロスやデコヒーレンスを防ぐことができる。電磁波を放射するアンテナの設計は非常に重要であるが、近距離での放射パターンは周囲の導体による干渉などもあり簡単ではない。
そこで本研究課題では、原子気体を用いて電磁波の強度パターンの可視化を試みた。
ガラスセル中に閉じ込められた常温の原子気体を用いたマイクロ波の強度の可視化には先行研究がある。光ポンピングしたルビジウム原子の原子核スピンが、マイクロ波（6.8GHz）の照射によってラビ振動する様子を空間的に分解して観測したものである。
しかし超微細構造分裂が小さいカリウムのような原子の原子核スピンの制御には、周波数の低いラジオ波が必要である。マイクロ波と同じ方法でラジオ波を可視化しようとす
ると、ドップラーシフトによって光ポンピングが無効化され、信号を得ることができない。本研究では偏光を用いてこの問題を解決することに成功した。
実験に用いたカリウム原子の超微細構造分裂は約450MHzである。D1線に円偏光を照射すると、電子スピンと原子核スピンが揃った状態に光ポンピングすることが可能である。
この状態を始状態として、ラジオ波を照射すると、原子核スピンのラビ振動がD1線の吸収として観測できる。得られたラビ振動数を空間分解して観測することによって、アンテナからの放射パターンの像を得ることに成功した。

図 3：得られたラジオ波の強度分布

4. 位相コントラストイメージングに用いる位相板の評価（大前、加藤、井上）
量子縮退気体のダイナミクスを観測するには位相コントラストイメージング法が極めて強力である。位相コントラストイメージングでは、位相板と呼ばれる中央に凹みのついた
ガラス板を使って光の位相をシフトさせるのだが、定量的なイメージングの為にはそのシフトが正確にp/2かどうかが重要である。実際に位相コントラストイメージングの系を組んで位相シフトの定量的評価を行った。

26

教育・研究業績
国際会議講演
1. Shin Inouye (invited), "Efimov resonances in an ultracold mixture" QFS2018: Internatinal
Conference on Quantum Fluids and Solids, Tokyo, July 25-31, 2018.
2. Shin Inouye (invited), "What can we do with a quantum degenerate mixture?", Nambu
Symposium 2018, Osaka City University, Dec. 13, 2018.

学会・研究会講演
1. K. Kato, Yujun Wang, J. Kobayashi, Paul S. Julienne and S. Inouye, "Isotopic shift of
atom-dimer Efimov resonances in K-Rb mixtures", Poster presentation at ICAP 2018: The 26th
International Conference on Atomic Physics, Barcelona, Spain, July 22-27, 2018.
2. 井上慎(招待)：「冷却原子における共鳴散乱: フェッシュバッハ共鳴とエフィモフ共鳴」
原子衝突学会第43回年会、京都大学宇治キャンパス、2018年10月14日.
3. K. Kato, Yujun Wang, J. Kobayashi, Paul S. Julienne and S. Inouye, "Isotopic shift of
atom-dimer Efimov resonances in K-Rb mixtures", Poster presentation at Nambu Symposium
2018, Osaka City University, Dec. 13, 2018.
4. Shin Inouye (invited) "Ultracold atomic gas", Shanghai University - Osaka City University
Symposium on Physics, Osaka City University, Dec. 27, 2018.
5. Shin Inouye (invited) "Exploring Feshbach resonance with cold atoms", 第3回物質階層を横断する会, 理研、2019年2月12日

その他
1. 井上慎：「レーザー冷却の原理と応用」2018年11月7日 大阪市立大学工作技術センター
にて講演

学位論文
修士論文
1. 長谷秀秋：「カリウム原子気体を用いたラジオ波強度の空間イメージング」

研究助成金取得状況
1.

井上慎：科研費・基盤研究(B)「散乱長の時空間制御で開拓する量子縮退気体の新奇な非平衡ダイナミクス」728万円

海外出張および海外研修
1.
2.

井上慎：バルセロナ（スペイン）、2018年7月22－27日、ICAP 2018: The 26th International
Conference on Atomic Physics 出席・発表（ポスター）
加藤宏平：バルセロナ（スペイン）、2018年7月22－27日、ICAP 2018: The 26th International
Conference on Atomic Physics 出席・発表（ポスター）

その他
1.

井上慎：四天王寺中学校からの実験室見学受け入れ (2018年12月16日)

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宇宙線物理学研究室
荻尾彰一 (教授)
MAYTA, Rosa (D2)常定芳基 (准教授)織田浩行 (M2)
KIM, Jihyun (博士研究員)
尾村勇吾 (M2)
多米田裕一郎 (客員研究員)
藤田慧太郎 (M2)大嶋晃敏 (客員准教授)
田上裕太 (M1)
小島浩司 (客員教授)
中井慧 (M1)
林嘉夫（名誉教授、特任教授） 藤原亮太 (M1)

松宮弘幸 (B4)

研究概要
1. 宇宙線望遠鏡実験 (Telescope Array（TA）実験)（荻尾、常定、Mayta、 織田）エネルギー 1018 eV 以上の「超高エネルギー宇宙線」をターゲットとした国際共同研究で、この宇宙における最も激烈な粒子加速現象の起源を解明することを目的とし、米国ユタ州の砂漠に建設された有効検出面積約 700 km2 の北半球最大の装置を用いて 2008 年 3 月から定常観測を行っている。
宇宙線は荷電粒子であるため宇宙空間では磁場の影響を受けるため直進せず、地球への到来
方向から起源天体の方向を同定することが難しいが、最高エネルギー領域宇宙線は直進性が高いため、高統計での観測を行えば宇宙線到来方向分布の「異方性」が見えてくることが期
待されている。これまでの TA 実験の 10 年分の観測データを用いた解析では、おおくま座領域において宇宙線の到来数が他と比べて有意に多い「ホットスポット」の存在が示唆されており、観測データのさらなる蓄積と解析が進められている。また TA から見て宇宙の「北」の領域から到来する宇宙線と、「南」から到来する宇宙線ではエネルギースペクトルが異なるかもしれないという解析結果も得られており、宇宙線の起源天体分布と伝播機構に対するヒントが得られるとの期待から、より統計精度をあげるべく観測が進められ、さらに次項で述べる拡張が行われている。
本研究室は実験装置の設計・開発から現在まで研究グループの主力として本実験に参加している。 データ解析を推し進めるほか、観測シフトや検出器の改良・安定稼働のための作業にも積極的に参加している。2018 年度は特に以下の研究課題に取り組んだ。

(a) 空気シャワー面の厚さ・曲面形状の測定。それらの一次エネルギー・距離および方向依存性の研究（Mayta）(b) TA 実験の地表検出器における気象観測システムの開発（織田）これらの成果は日本物理学会、国際会議 UHECR2018 で発表された。

2. TA×4 実験、TALE 実験（荻尾、常定、藤田、田上、藤原、松宮）
前述のように、宇宙線の起源天体を直接同定するためには、高統計、すなわち観測データの蓄積が最も重要である。そのため、TA 実験 の有効検出面積を４倍に拡大する 「TA×4 計
画」 が提唱され、2015 年度に予算が認められた。2018 年度には、計画全体のほぼ半数、257
台の地表検出器と 4 台の大気蛍光望遠鏡の設置を完了し、実験装置としての稼働を開始した。
また、TA 実験のエネルギーしきい値を 1016 eV 以下にまで下げ、1016 eV から 1020 eV までの 4 桁におよぶ広いエネルギー範囲での宇宙線のエネルギースペクトルと化学組成の精密測定を目指す「TALE 計画」が立案され、これも 2015 年度に予算が認められた。2017 年度には地表検出器の設置を完了し、2018 年度には後述の (a) の作業を経て、2018 年 11 月から本格定常観測を継続している。
本研究室は TALE 実験の代表研究機関であり、また TA×4 実験の主力推進機関でもある。
2018 年度は特に以下の研究課題に取り組んだ。

28

(a) TALE 実験大気蛍光望遠鏡からのトリガー信号によって地表検出器アレイのデータ収集を行なうトリガーシステム（ハイブリッドトリガー）の開発と実装、観測開始（藤原）。
(b) TALE 実験大気蛍光望遠鏡のためのイベント再構成ソフトウェアの開発（藤田）(c) TALE 実験地表検出器アレイのためのイベント再構成ソフトウェアの開発（田上）。
(d) TA×4 実験地表検出器アレイの境界トリガーシステムの開発（松宮）。
これらの成果は日本物理学会、国際会議 UHECR2018 などで発表された。

3. TA 実験サイトにおけるチェレンコフ光観測：NICHE 実験（常定、尾村、中井）TA 実験で観測対象としている最高エネルギー宇宙線は、銀河系内にはその起源となりうる
ような天体 (エネルギー 1018 eV にまで粒子加速が可能な天体) が見当たらず、その起源は銀河系外にあると考えられている。一方、数としては圧倒的に多いそれ以下のエネルギーの宇宙線の起源は銀河系内にあると考えられており、例えば超新星残骸における粒子加速が有効に働くという理論予測は大方の研究者から支持されている。ただし銀河系内天体が宇宙線をどこまで加速することができるのかという問題は未解決であり、「低エネルギー = 銀河系
内、高エネルギー = 銀河系外」という現在の理解はどこに境界があるのかはっきりしていない。これを解決する鍵になるのは、宇宙線の原子核組成の解明であり、銀河系内天体であれば電荷が大きく加速されやすい重い原子核が多いはずであるが、銀河系外起源であれば長い距離を伝播する間に破砕反応によって壊れてしまい軽い原子核が多いと考えられている。
これを観測的に決定するために、TA サイトに低エネルギー宇宙線観測に適した「空気チェレンコフ光検出器」を設置するのが本研究で進める NICHE 実験である。2017 年度からスタートした定常観測は順調に続いており、データ解析が進められている。その成果は国際会
議 UHECR2018 で報告された。
4. 最高エネルギー宇宙線到来方向と近傍の宇宙大規模構造との相関（Kim）
57EeV 以上の宇宙線到来方向分布には、25 度程度の角度スケールの異方性の兆候が見えている（TA 実験が 2014 年に発表した。最高エネルギー宇宙線が過剰に到来する「ホットスポット」と呼ばれている）。しかし、このホットスポットと既知の天体との相関がないこと、近傍で最も大きな銀河団であるおとめ座銀河団の方向にはこのような到来方向集中が見られないことなどが問題となっている。この２つの問題を一挙に解決するアイデアとして、宇宙の大規模構造に着目した。宇宙空間に銀河は均一に分布しているわけではなく、銀河は、銀河団・フィラメント（銀河団と銀河団に間に線状に伸びる銀河の集団）いった大規模構造を作って不均一に存在していることが知られている。おとめ座銀河団から伸びる既知のフィラ
メントと最高エネルギー宇宙線の到来方向との方向相関を調べて、ホットスポットとフィラ
メントとの間に相関があることを見つけた。さらにフィラメント内への最高エネルギー宇宙
線の閉じ込め条件、伝播計算へと研究が進展している。この成果は国際会議 UHECR2018
で報告され、また論文として出版された（下記学術論文番号 11）
5. 国際宇宙ステーションにおける宇宙線観測（常定）
全宇宙線フラックスのうち約 1% は電子・陽電子成分が占める。高エネルギーの電子・陽電子は銀河磁場中ではシンクロトロン放射によりすみやかにエネルギーを失うため、もし地球で高エネルギーの電子・陽電子が観測されれば、その起源天体は地球の近傍に存在しているはずである。宇宙線の加速源として超新星残骸が有力視されていることを考え合わせると、地球で観測される高エネルギー電子の起源は「若くて近傍」の超新星残骸に限られることになり、候補天体はかなり絞られる。したがって宇宙線の起源天体同定は、原子核成分よりもまず電子成分でなされるかもしれない。このような動機のもと、宇宙線電子成分の検出器に最適化された検出器 CALET (CALorimetric Electron Telescope) の開発が行われ、2015 年
8 月 19 日に種子島宇宙センターから H-IIB ロケット 5 号機 (HTV5) によって打ち上げられ、国際宇宙ステーション (ISS) の日本実験施設「きぼう」に設置され、2017 年度までの観測器の運用はきわめて順調であり、その成果として 2018 年度には５編の学術論文（下記
学術論文番号 6 から 10）として公表した。

29

6. 南米ボリビアの高地における宇宙線観測（常定、小島、大嶋、荻尾、Mayta）
エネルギーが 1015∼16 eV 程度の宇宙線は、エネルギースペクトルに折れ曲がりが存在し、さらに銀河系内の超新星残骸などにおける加速の最高エネルギーと考えられていることもあって非常に重要なエネルギー領域である。このエネルギーの宇宙線は地表 (海抜 0m) には到 達しないため、高山で観測を行う必要がある。この実験は南米アンデス山脈の 5000m
級の山において宇宙線を観測するもので、ボリビア・ラパスから近いチャカルタヤ山宇宙線観測所で行われてきた。実験は 1960 年代から行われていたが、装置の老朽化、人的資源の枯渇などにより 2015 年にいったん打ち切ることが決定された。その上で、現地のサンアン
ドレス大学の他に、新たに東京大学宇宙線研究所、神奈川大学、日本大学などの研究者が加わり、チャカルタヤ山中腹の高度 4800m の高原において新たな宇宙線観測プロジェクト「 ALPACA 実験」を立ち上げた。この実験では、宇宙線原子核成分のみならず、宇宙ガン
マ線を捉えることを目的としている。ガンマ線は原子核や電子成分とは異なり宇宙磁場の影
響を全く受けずに直進するので起源天体を同定できる可能性が高い。この実験の強みは、高度 4800m というガンマ線観測所としては世界最高高度に位置する装置を南半球に設置することにあり、銀河中心を含む我々の銀河系の広い領域を見渡しガンマ線観測を行うことにある。2018 年度に、ALPACA 建設予定地においてインフラストラクテャーの建設が始まった。
2019 年内に電力、水道、フェンス、実験小屋等の整備が完了予定である。また、2019 年度に設置予定の ALPAQUITA 実験（ALPACA 実験の地表空気シャワー観測装置の約 1/5 規模、約 16,000 m2 ）で使用する 1m2 プラスチックシンチレーション検出器関連の物品が 2018 年
11 月に横浜港から搬出され、2018 年 12 月にチリのアリカに到着した。その後、陸路を経由
して 2019 年 2 月にラパスに到着した。その他、プロトタイプである ALPAQUITA 空気シャ
ワー観測装置の性能評価をするためにモンテカルロシミュレーションや ALPAQUITA に地
下ミューオン観測装置の一部を加えたケースを想定したモンテカルロシミュレーションが進行中である。

7. インド・ウーティにおける空気シャワーアレイを用いた宇宙線観測（小島、林、大嶋）本研究室とインド・タタ基礎研究所による日印国際共同実験「GRAPES-3 空気シャワー実験」では、インド・タミルナドゥ州のウーティー（標高 2,200 m）において、地表空気シャ
ワーアレイによる銀河宇宙線の観測をおこなっている。新しい時間計測システムの導入以後（2013 年以降）のデータに関して再解析をおこなっている。宇宙線による月の影が確認できており、空気シャワーの角度決定精度の大幅に向上できる見通しである。また、雨期を避けて、新ミューオン検出器の増設工事も進んでいる。比例計数管の組み上げがほぼ完了し、現在は、吸収層の建設と建屋構造部分の建設に移っている。また、大気ガンマ線観測のための大型 NaI 検出器を用いた定常観測が始まった。本年度は、大嶋が 8 月に約 1ヶ月間、タタ基礎研究所（ムンバイ）に滞在し、空気シャワー解析に関する議論を現地スタッフとおこなった。

8. インド・ウーティーにおける大面積ミューオン検出器を用いた宇宙線観測（小島、林、大嶋）GRAPES-3 ミューオン検出器の高統計・高角度精度を活かし、約 70 GV の銀河宇宙線の連続観測を通して太陽圏の研究をおこなっている。本年度は、宇宙線の伝播を特徴付ける平均
自由行程を実験的に決定し、その結果を論文として公表した (文献番号 12)。また、2014 年
12 月に観測されたミューオン強度の変動と電場計のデータについて評価し，雷雲中に 13 億ボルトの電位が存在することを明らかにした．結果は，2019 年 3 月に論文 (文献番号 13) として公表した。本年度は、大阪市立大学の川上三郎名誉教授と小島が、8 月の約 3 週間、タタ基礎研究所（ムンバイ）に滞在し、論文について打ち合わせをおこなった。
9. 次世代の超高エネルギー宇宙線観測用大気蛍光望遠鏡の開発 (CRAFFT 実験)(多米田)最高エネルギー領域の宇宙線観測のための拡張実験として、TA 実験の拡張計画である TA× 4 実験が建設中であるように、最高エネルギー領域の宇宙線観測には非常に大規模な観測装置が必要となる。TA × 4 実験により、宇宙線の到来方向のホットスポットの存在が確立され、 天源天体が見つかれば、宇宙線による天文学が可能となり、宇宙線観測装置にはさらなる大 規模化が求められることになる。こうした将来の大規模化を見据えて、現在低コス

30

トで建設 が可能な大気蛍光望遠鏡 (CRAFFT, Cosmic Ray Air Fluorescence Fresnel-lensTelescope) を多米田が主導し開発している。 2018 年度は、CRAFFT 検出器による完全自動観測システムの構築を目的に、電力自給、自動観測、および望遠鏡保護システムを開発し、試験した。また、検出器シミュレーションを開発し、検出効率などを見積もった。これらの成果を、UHECR2018、日本物理学会などで報告した。

10. 高感度 CMOS カメラシステムによる高速飛翔暗黒物質と流星の探索 (多米田)
宇宙には暗黒物質の存在が確実視されており、様々な実験により暗黒物質の探索が行われているが、未だ発見には至っていない。本研究では、暗黒物質の候補の一つである Nucleariteの探索を行っている。Nuclearite とは、マイクロサイズのストレンジクォーク体 (SQM) が電子を捕獲し電気的に中性化したものであり、宇宙開闢の時期や中性子同士の衝突などで生成されると考えられている。2018 年度は、多米田、および甲南大学とトリノ大学の共同研
究者等と TA 実 験サイト内の 3 箇所に超高感度 CMOS カメラを設置し、8,9 月に試験観測を行った。本試験観測の結果は日本物理学会で報告された。

教育・研究業績
学術論文
1. R. U. Abbasi, et al., Search for correlations between arrival directions of ultrahigh-energy
cosmic rays detected by the Telescope Array experiment and a flux pattern from nearby
starburst galaxies , Ap. J., 867, L27 (2018)
2. R. U. Abbasi, et al., The Cosmic-Ray Energy Spectrum between 2 PeV and 2 EeV
Observed with the TALE detector in monocular mode , Ap. J., 865, 74 (2018)
3. R. U. Abbasi, et al., Evidence of Intermediate-Scale Energy Spectrum Anisotropy of
Cosmic Rays E > 1019.2 eV with the Telescope Array Surface Detector , Ap. J., 862, 91(2018)
4. R. U. Abbasi, et al., Depth of Ultra High Energy Cosmic Ray Induced Air Shower
Maxima Measured by the Telescope Array Black Rock and Long Ridge FADC Fluorescence
Detectors and Surface Array in Hybrid , Ap. J., 858, 76 (2018)
5. R. U. Abbasi, et al., Study of muons from ultra-high energy cosmic ray air showers
measured with the Telescope Array experiment , Phys. Rev. D, 98, 022002 (2018)
6. O. Adriani, et al., “Energy Spectrum of Cosmic-Ray Electron and Positron from 10 GeV
to 3 TeV Observed with the Calorimetric Electron Telescope on the International Space
Station”, Phys. Rev. Lett., 119, 181101 (2018)
7. O. Adriani, et al., “On-orbit operations and oﬄine data processing of CALET onboard
the ISS ”, Astropart. Phys., 100, 29 (2018)
8. O. Adriani, et al., “Extended Measurement of Cosmic-ray Electron and Positron Spectrum
from 11 GeV to 4.8 TeV with the Calorimetric Electron Telescope on the International
Space Station”, Phys. Rev. Lett., 120, 261102 (2018)
9. O. Adriani, et al., “Search for GeV Gamma-Ray Counterparts of Gravitational Wave
Events by CALET”, Ap. J., 863, 160 (2018)
10. O. Adriani, et al., “”Characteristics and Performance of the CALorimetric Electron Telescope (CALET) Calorimeter for Gamma-Ray Observations””, Ap. J. Suppl., 238, 5 (2018)11. J. Kim, et al., ”Filaments of galaxies as a clue to the origin of ultrahigh-energy cosmic
rays”, Science Advances, 5(1), eaau8227 (2019)31

12. H. Kojima, et al., Measurement of the radial diﬀusion coeﬃcient of galactic cosmic raysnear the Earth by the GRAPES-3 experiment , Phys. Rev. D, 98, 022004 (2018)13. B. Hariharan, et al.,Measurement of the Electrical Properties of a ThundercloudThrough Muon Imaging by the GRAPES-3 Experiment , Phys. Rev. Lett., 122, 105101(2019)

国際会議会議録
1. D. Bergman, Y. Tsunesada, J. Kzirmanic, Y. Omura：“NICHE: Air-Cherenkov observation at the TA site”, Proceedings of UHECR2018, EPJ Web of Conferences, 210 (2019),
10.1051/epjconf/201921005001
2. Y. Tameda, et al., Detection of ultra-high energy cosmic ray air showers by Cosmic Ray
Air Fluorescence Fresnel lens Telescope for next generation , EPJ Web of Conferences,
210, 06004 (2019), 10.1051/epjconf/201921006004
3. T. Tomida, Y. Tameda, et al., Development of the calibration device using UAV mounted
UV-LED light source for the fluorescence detector , EPJ Web of Conferences, 210, 05015(2019), 10.1051/epjconf/201921005015

国際会議講演
1. Y. Tsunesada（招待講演）, “Latest results from TA”, AMS Days at La Palma, 2018 年 4
月 9-12 日（発表日 4 月 10 日, La Palma, スペイン
2. S. Ogio（招待講演）, “Telescope Array experiment”, International Symposium on VeryHigh Energy Cosmic Ray Interaction (ISVHECRI) 2018, 2018 年 5 月 21-25 日（発表日 5
月 23 日）, 名古屋, 日本
3. Y. Tsunesada（招待講演）, “Recent Results from The Telescope Array Experiment”, QCD
at Cosmic Energies VIII, リガ, ラトビア 2018 年 6 月 （地震のため渡航不能となり、Skype
参加で講演）
4. S. Ogio（招待講演）, “Latest results and current status of the Telescope Array experiment”,
Very High Energy Phenomena in the Universe (VHEPU) 2018, 2018 年 8 月 13-18 日（発表日 8 月 14 日）, Quy Nhon, ベトナム
5. Jihyun Kim, “A Close Correlation between TA Hotspot UHECR Events and Local Filaments of Galaxies and its Implication”, Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR) 2018,2018 年 10 月 8-12 日（発表日 10 月 10 日）, パリ, フランス
6. 多米田裕一郎: Detection of ultra-high energy cosmic ray air showers by Cosmic Ray Air
Fluorescence Fresnel-lens Telescope for next generation , Ultra High Energy Cosmic Rays
(UHECR) 2018, 2018 年 10 月 8-12 日（発表日 10 月 12 日）, パリ, フランス
7. R. Mayta（ポスター）, “Air Shower Structure measured with the Telescope Array Surface
Detectors”, Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR) 2018, 2018 年 10 月 8-12 日, パリ,
フランス
8. S. Ogio（ポスター）, “TALE surface detector array and TALE hybrid system”, Ultra HighEnergy Cosmic Rays (UHECR) 2018, 2018 年 10 月 8-12 日, パリ, フランス
9. S. Ogio（招待講演）, “Latest results and current status of the Telescope Array experiment”,
Pierre Auger Observatory international collaboration meeting 2018, 2018 年 11 月 11 日, マ
ラルグエ, アルゼンチン
10. S. Ogio（招待講演）, “Future plans of ultra high energy cosmic ray observations”, テレス
コープアレイ実験 10 周年記念国際シンポジウム, 2018 年 12 月 19 日, 柏, 日本

32

11. Y. Tsunesada, “Exploring ultra high energy universe with Telescope Array”, 南部陽一郎
先生ノーベル物理学賞受賞 10 周年記念国際シンポジウム, 2018 年 12 月 12, 13 日（発表日
12 月 13 日）, 大阪, 日本
12. R. Fujiwara, K. Fujita and Y. Tanoue（ポスター）, “Ultra-high-energy cosmic ray measurement, TALE experiment”, 南部陽一郎先生ノーベル物理学賞受賞 10 周年記念国際シンポジウム, 2018 年 12 月 12, 13 日, 大阪, 日本
13. Y. Omura and K. Nakai（ポスター）, “NICHE: High-Energy Cosmic Ray Observation by
Detecting Air Cherenkov Light”, 南部陽一郎先生ノーベル物理学賞受賞 10 周年記念国際シンポジウム, 2018 年 12 月 12, 13 日, 大阪, 日本

学会・研究会講演
1. R. Mayta：「Shower Structure Analysis with Telescope Array Surface Detector data」、日本物理学会 2018 年秋季大会、2018 年 9 月 14-17 日、信州大学松本キャンパス
2. 藤田慧太郎：「モンテカルロシミュレーションによる TA と TALE による FD 複眼観測の性能評価」、日本物理学会 2018 年秋季大会、2018 年 9 月 14-17 日、信州大学松本キャンパス
3. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 実験における新ミューオン検出器の建設の現状について」、日本物理学会 2018 年秋季大会、2018 年 9 月 14-17 日、信州大学松本キャンパス
4. 田中公一：「GRAPES-3 実験における大型 NaI 検出器の導入について」、日本物理学会 2018年秋季大会、2018 年 9 月 14-17 日、信州大学松本キャンパス
5. 小島浩司：「大面積高精度 muon 望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究 (21)」、日本物理学会 2018 年秋季大会、2018 年 9 月 14-17 日、信州大学松本キャンパス
6. 織田浩行：「VHDL について」、アインシュタインセミナー、2018 年 9 月 20-22 日、大津
7. 藤田慧太郎：「広エネルギー宇宙線観測 TALE 実験」、アインシュタインセミナー、2018 年
9 月 20-22 日、大津
8. 荻尾彰一（招待講演）：「テレスコープアレイ実験ー最高エネルギー宇宙線研究の最前線ー」、
宇宙素粒子若手の会、2018 年 10 月 5 日、東京大学柏キャンパス
9. 大嶋晃敏：「大型ミューオンテレスコープによる銀河宇宙線強度の観測」、 平成 30 年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果発表会、2017 年 12 月 21 日、東京大学柏キャンパス
10. 小島浩司：「内部太陽圏における 銀河宇宙線強度と太陽風速度の関係」、 H30 年度 ISEE
シンポジウム（日本語セッション） ISEE 研究集会「太陽圏・宇宙線関連の共同研究成果報告会」、 2019 年 2 月 28 日、名古屋大学
11. 藤原亮太：「TALE 実験全体報告４」、日本物理学会第 74 回年次大会、2019 年 3 月 14-17 日、
九州大学
12. 藤田慧太郎：「TALE 実験大気蛍光望遠鏡を用いた単眼観測およびハイブリッド観測によるデータの解析」、日本物理学会第 74 回年次大会、2019 年 3 月 14-17 日、九州大学
13. 多米田裕一郎：「CRAFFT 実験 6：自動観測システムによる試験観測報告」、日本物理学会
第 74 回年次大会、2019 年 3 月 14-17 日、九州大学
14. 大嶋晃敏：「GRAPES-3 空気シャワーアレイ拡張の現状について」、 日本物理学会第 74 回
年次大会、2019 年 3 月 14-17 日、九州大学
15. 田中公一：「GRAPES-3 実験における大型 NaI 検出器の導入について (2)」、日本物理学会第74 回年次大会、2019 年 3 月 14-17 日、九州大学
16. 小島浩司：「大面積高精度 muon 望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究 (22)」、日本物理学会第 74 回年次大会、2019 年 3 月 14-17 日、九州大学

33

その他
1. 荻尾彰一：春の市大授業、2018 年 4 月 29 日
2. 荻尾彰一：宇宙を学べる大学合同説明会、2018 年 6 月 10 日
3. 荻尾彰一：理学部教員による大阪市大職員向け研修会、2018 年 12 月 5 日

学位論文
修士論文
1. 織田浩行：TA 実験の地表検出器における気象観測システムの開発
2. 尾村勇吾：NICHE 実験検出器アレイの設置と高エネルギー宇宙線初観測
3. 藤田慧太郎：TALE 実験 大気蛍光望遠鏡の再構成ソフトウェアの開発

研究助成金取得状況
1. 荻尾彰一：科学研究費補助金（科研費）
・基盤研究 (S)「広エネルギー領域の精密測定で探る
超高エネルギー宇宙線源の進化」、代表、1,260 万円
2. 常定芳基：科研費・基盤研究 (A)「テレスコープアレイによる超高エネルギー宇宙線のエネ
ルギースペクトル異方性の研究」、代表、170 万円
3. 荻尾彰一：科研費・特別推進研究「拡張テレスコープアレイ実験 - 最高エネルギー宇宙線で解明する近傍極限宇宙」、分担、650 万円
4. 常定芳基：科研費・特別推進研究「拡張テレスコープアレイ実験 - 最高エネルギー宇宙線で解明する近傍極限宇宙」、分担、290 万円
5. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「TALE 実験用地表検出器開発と性能試
験」、代表、55 万円
6. 常定芳基：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「ボリビア · チャカルタヤ山宇宙線観測所
における高エネルギー γ 線 · 宇宙線観測のための空気シャワー実験」、代表、 320 万円
7. 多米田裕一郎：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「次世代の超高エネルギー宇宙線観測のためのフレネルレンズ型大気蛍光望遠鏡の開発研究」、代表、100 万円
8. 大嶋晃敏：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費

42 万円

9. 多米田裕一郎：東京大学地震研究所共同利用研究費「汎用宇宙線計測用信号読出回路の開発」、代表、75 万円
10. 小島浩司：名古屋大学宇宙地球環境研究所国際研究助成

43 万 2 千円

海外出張および海外研修
1. 常定芳基：ラパルマ（スペイン）、2018 年 4 月 9 - 12 日、AMS Days at La Palma に参加・
招待講演
2. 藤田慧太郎：米国ユタ州、2018 年 6 月 3 - 21 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席、宇宙線観測
3. 荻尾彰一：米国ユタ大学、2018 年 6 月 4 - 9 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席
4. Rosa Mayta：イルクーツク（ロシア）、2018 年 7 月 11 - 22 日、ISSAP-Baikal Summer School2018 に参加
5. 大嶋晃敏：タタ基礎研究所（インド）、2018 年 8 月 3 日 - 9 月 1 日

34

6. 多米田裕一郎：米国ユタ大学ほか、2018 年 8 月 5 日 - 9 月 11 日、宇宙線観測および望遠鏡の較正事件の実施
7. 荻尾彰一：Quy Nhon（ベトナム）、2018 年 8 月 11 - 19 日、VHEPU2018 に参加・招待講演
8. 小島浩司：タタ基礎研究所（インド）、 2018 年 8 月 15 日 - 9 月 5 日
9. 荻尾彰一：ベルギー自由大学、2018 年 9 月 2 - 5 日、TA 実験グループ全体ミーティング出席
10. 藤原亮太：米国ユタ州、2018 年 9 月 3 - 23 日、TALE 実験建設
11. 織田浩行：米国ユタ州、2018 年 9 月 3 - 23 日、TALE 実験建設
12. 尾村勇吾：米国ユタ州、2018 年 9 月 6 - 27 日、NICHE 実験宇宙線観測
13. 常定芳基、米国ユタ州、2018 年 9 月 7-27 日、TA 実験、NICHE 実験観測シフト
14. 藤田慧太郎：米国ユタ州、2018 年 9 月 30 日 - 10 月 23 日、TA 実験宇宙線観測
15. Rosa Mayta：パリ（フランス）、2018 年 10 月 4 - 14 日、UHECR2018 に参加・研究発表
16. 荻尾彰一：パリ（フランス）、2018 年 10 月 7 - 14 日、UHECR2018 に参加・研究発表
17. Jihyun Kim：パリ（フランス）、2018 年 10 月 7 - 14 日、UHECR2018 に参加・研究発表
18. 多米田裕一郎：パリ（フランス）、2018 年 10 月 7 - 14 日、UHECR2018 に参加・研究発表
19. Jihyun Kim：UNIST（韓国）、2018 年 10 月 30 日 - 11 月 1 日、共同研究打ち合わせ
20. 荻尾彰一：マラルグエ（アルゼンチン）、2018 年 11 月 9 - 13 日、Auger 実験グループ全体
ミーティングに参加・招待講演
21. 藤原亮太：米国ユタ州、2019 年 1 月 7 - 29 日、TAx4 実験建設
22. Jihyun Kim：米国ユタ州、2019 年 1 月 22 日 - 2 月 16 日、TA 実験宇宙線観測
23. 中井慧：米国ユタ州、2019 年 1 月 22 日 - 2 月 23 日、NICHE 実験、TA 実験宇宙線観測
24. 尾村勇吾：米国ユタ州、2019 年 2 月 15 日 - 3 月 16 日、NICHE 実験、TA 実験宇宙線観測
25. Jihyun Kim：米国ユタ州、2019 年 3 月 22 日 - 4 月 13 日、TA 実験宇宙線観測

その他
1. 常定芳基：日本物理学会大阪支部委員（会計担当）
2. 荻尾彰一：日本物理学会代議員
3. 常定芳基：国際会議 TAUP2019 OC
4. 荻尾彰一：国際会議 ISVHECRI2018 IAC, LOC
5. 大嶋晃敏：国際会議 ISVHECRI2018 LOC
6. 常定芳基：大阪大学核物理研究センター 研究計画検討委員
7. 荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所 運営委員
8. 荻尾彰一：宇宙線研究者会議 (CRC) 実行委員
9. 常定芳基：CRC 将来計画検討小委員会 副委員長
10. 大嶋晃敏：CRC 事務局総務
11. 小島浩司：CRC 事務局総務補佐

35

高エネルギー物理学研究室
清矢 良浩 教 授
山本 和弘 准教授

金
賢一 (D3)
手島 菜月 (D3)

久木田
田中
吉中
高橋

直哉
慎也
晴香
拓也

(M2)
(M2)
(M2)
(M1)

足立
小幡
小向
本條

真尋
拓也
倖平
貴司

(B4)
(B4)
(B4)
(B4)

研究概要
1. 陽子・反陽子衝突型加速器を用いた素粒子実験（清矢，山本）
米国フェルミ国立加速器研究所の陽子・反陽子衝突型加速器テバトロンと汎用素粒子検出器
CDF によって得られたデータの解析を引き続き遂行した．データ取得自身は2011年9月末に終了
しており，解析に使用できるデータ量は最終的に 10 fb−1 である．今年度の主な成果の一つとして 𝑋𝑋(5568) と呼ばれる新しい中間子状態，いわゆるエキゾチック中間子の探索を取り上げる．
これについては，テバトロン加速器を用いたもう一つの実験グループ D0 が 2016年に発見を主張(1)したものの，その後，ヨーロッパの LHC 加速器を用いた LHCb，CMS，ATLAS 実験のいずれにおいてもその存在を確認できなかったという状況にある．CDF もその探索を行ったので，その内容を簡単に説明する．
探索した崩壊過程は𝑋𝑋(5568) → 𝐵𝐵𝑠𝑠0 𝜋𝜋 ± ，𝐵𝐵𝑠𝑠0 → 𝐽𝐽/𝜓𝜓𝜓𝜓，𝐽𝐽/𝜓𝜓 → 𝜇𝜇+ 𝜇𝜇− ，𝜙𝜙 → 𝐾𝐾 + 𝐾𝐾 −である．ここで，𝐵𝐵𝑠𝑠0 は 𝑏𝑏 クォークの反クォーク（𝑏𝑏�）と 𝑠𝑠 クォークで構成される中間子，𝐽𝐽/𝜓𝜓 は𝑐𝑐 と 𝑐𝑐̅ で構成される中間子，𝜙𝜙 や 𝐾𝐾 ± は軽い 𝑢𝑢，𝑑𝑑，𝑠𝑠 のクォーク・反クォークで構成される中間子である．崩壊後の 𝐵𝐵𝑠𝑠0 𝜋𝜋 ± に含まれるクォークの種類から考えると，仮に 𝑋𝑋(5568) が存在するとした場合，4 種類のクォーク・反クォーク（例えば 𝑏𝑏�𝑠𝑠𝑠𝑠𝑑𝑑̅ ）で構成される粒子となり，ハドロン組成の通常のモデルでは説明ができないことになる．まず図 1 に D0 の結果を示す．これは崩壊によって生成され，検出器によってその運動量が測定された 5 つの粒子（𝜇𝜇 + 𝜇𝜇− 𝐾𝐾 + 𝐾𝐾 − 𝜋𝜋 ±）によって再構成した親粒子の不変質量分布である．これを見ると 5568 MeV/𝑐𝑐 2 のあたりにピークがあるのがわかる．統計的有意性は 3.9σ と評価された．一般に，この程度の有意性では発見を主張しないのであるが，SN比を上げるために 𝐵𝐵𝑠𝑠0 と 𝜋𝜋 ± の間に，ある種の簡単な幾何学的条件を入れると 5.1σ になったのである．ただ，この条件は不変質量分布にバイアスを与えることが認

図 1: D0 による 𝐵𝐵𝑠𝑠0 𝜋𝜋 ± の不変質量分布．黒い点がデータ．実線はフィットした結果．粗い破線はバックグラウンド，細かい破線は 𝑋𝑋(5568) が存在すると仮定した場合に期待される分布．下のプ
ロットはデータとフィットの差．

(1) Phys.

Rev. Lett. 117, 022003 (2016)36

識されており，CDF の解析ではその適用を避けた．図 2 が CDF の結果であり，LHC と同様に信号の存在は確認できなかった．現在のところ，さらなる確認が必要ということで，その存在の真否については保留になっている．

図 2: CDF による 𝐵𝐵𝑠𝑠0 𝜋𝜋 ± の不変質量分布．上に分布しているヒストグラムがデータ．赤色の実線
は，信号が存在している可能性を考慮してフィットした結果．緑色の破線は，信号が無いものと仮定してフィットした結果．下に見えるヒストグラ
ムは，𝐵𝐵𝑠𝑠0 の再構成において，その質量領域をあえて 𝐵𝐵𝑠𝑠0 からずらした場合に得られる分布．解析
上の何らかの系統的な影響でピークが生じたりしないことを確認している．

2. 長基線ニュートリノ振動実験（清矢，山本，金，久木田，田中，小幡，本條）
T2K実験を始めとするニュートリノ物理の実験的研究を継続した．昨年度 10 月から開始した
ミューオン反ニュートリノ（𝜈𝜈̅𝜇𝜇 ）ビームモードでのデータ取得を 5 月末まで継続し，ビームタイ
ムを一旦終了した．その後，6 月からはスーパーカミオカンデの補修作業を開始した．ニュート
リノモードのデータ総量は約 1.5 × 1021 POT （Protons On Target：パイオン生成標的に照射した陽子数）となり，一方，反ニュートリノモードについては約 1.7 × 1021 POT に到達した．ここでは，2017年5月までのニュートリノモードのデータ約 1.5 × 1021 POTと反ニュートリノモードのデータ約 0.8 × 1021 POT を用いたニュートリノ振動解析結果を述べる．これは， 𝜈𝜈𝜇𝜇 あるいはその反粒子がニュートリノ振動により消失する現象と電子ニュートリノ（𝜈𝜈𝑒𝑒 ）あるいはその反粒子が出現する現象を同時に解析した総合的なものである．図 3 は，ニュートリノ振動現象を記述する二つのパラメータの測定結果を示している．このパラメータは簡単にいえば 𝜈𝜈𝜇𝜇 がタウニュートリノ（𝜈𝜈𝜏𝜏 ）に変化する現象を記述するものである．横軸の sin2 𝜃𝜃23 は振動の大きさ，縦軸22の Δ𝑚𝑚32あるいは Δ𝑚𝑚13は振動の速さに関係するパラメータである．図中の Normal あるいはNO（Normal Ordering）とは，質量固有状態のニュートリノの質量階層性を表しており，𝜈𝜈𝜏𝜏 成分
を最も多く含む質量固有状態（𝜈𝜈3 ）が最も重い場合を指しており，逆に 𝜈𝜈3 が最も軽い場合はInverted Ordering（IO）と呼ばれる．Normal Ordering の場合のベストフィットの結果は sin2 𝜃𝜃23 =+0.0712−3eV 2 /𝑐𝑐 4 である．この図からわかるように，𝜃𝜃23 は π/4 よ0.526+0.032−0.036 ，∆𝑚𝑚32 = 2.463−0.070 × 10

図 3: ニュートリノ振動パラメータ sin2 𝜃𝜃23 と
2
2
Δ𝑚𝑚32
あるいは Δ𝑚𝑚13の測定結果．黒色は Nor
mal Ordering の結果，赤色は Inverted Orderingの結果である．点線と実線は，それぞれ 1σ と90% (1.6σ) に対応する統計的信頼度の領域．星
印はベストフィットの値を示している．

37

りも大きい可能性がデータによって好まれているようである．図 4 は，ニュートリノにおける粒子・反粒子対称性（CP 対称性）の破れを表すパラメータの測定結果である．CP の破れは sin 𝛿𝛿CPで表されるので |𝛿𝛿CP | = 0 あるいは π の場合は CP 対称性が成立していることになる．縦軸はフィットの尤度であり，値が小さいほどデータとモデルの一致が良いことを表す．統計的信頼度
2σ の範囲も示してあり，Normal Ordering の場合は −2.99 < 𝛿𝛿CP < −0.59，Inverted Ordering の場
合は −1.18 < 𝛿𝛿CP < −1.01 である．昨年度の結果と同様，いずれの場合においても CP 保存は領域外にあるので，2σ の統計的信頼度において CP 保存が排除されている．また，質量階層性については Normal Ordering の方がデータによって支持されているようである．CP 非保存の実験的証明や質量階層性の解明にはさらに高い信頼度が必要であり，より高精度の測定が重要である．

図 4: CP 対称性の破れを表すパラメータの測定結果．縦軸は尤度を反映する量であり，小さい値ほどデータとの一致が良いことを表す．斜線で囲まれた範囲は 90% の統計的信頼度を表す．

ニュートリノ振動解析における系統誤差の抑制を目的とした新しい前置ニュートリノ検出器
WAGASCI（WAter-Grid-And-SCIntillator）を中心とする実験プロジェクトを今年度も継続した．
WAGASCI 検出器はプラスチックシンチレータを格子状に組み上げた構造をしており，入射ニュ
ートリノビームに対して大角度に散乱する事象の検出効率が高い．図 5 は，前置検出器ホールの地下 2 階にインストールされた検出器群を示しており，水を標的とした WAGASCI 水モジュー
ル（中央）の前には既存のプラスチック標的検出器，後ろにはミューオン検出器としての役割をもつ既存の鉄標的モジュールが置いてある．今年度は，昨年度 10 月から今年度 5 月末までに取得した反ニュートリノビームデータを用いて，反ニュートリノと水あるいは炭化水素の荷電カレ
ント反応断面積測定を行った．これは世界初の成果であり，得られた結果の一部を挙げると

図 5: インストールされたニュートリノ検出器．手前は既存のプラスチック標的検出器（Proton Module），次に WAGASCI 水標的検出器，その後ろにミューオン検出器として使用する既存の鉄標的検出器（INGRID）．

38

�
𝜈𝜈

−39
𝜎𝜎H𝜇𝜇O = [1.082 ± 0.068 (stat. ) +0.145
cm2 ∙ nucleon−1−0.128 (syst. ) ] × 10
2

�
𝜈𝜈

𝜇𝜇
−39
= [1.096 ± 0.054 (stat. ) +0.132
cm2 ∙ nucleon−1
𝜎𝜎CH−0.117 (syst. ) ] × 10

である．また，これらの結果は，理論予想と矛盾が無かった．
WAGASCI プロジェクトにおける検出器のフルセットアップは， 2 台の WAGASCI 検出器を中心としてプラスチック標的検出器や後方および横方向にミューオン検出器を配置する比較的大規模なものである．大角度で生成されたミューオンを検出するために横に置かれるミューオン飛程検出器，Side Muon Range Detector（SMRD），は鉄とプラスチックシンチレータのサンドイッチ構造をもつ．昨年度 11 月に 1 台目の組み立てを行ったが，今年度 6 月に 2 台目を完成させた．今年の 1 月にはフルセットアップの完成に向け，図 5 の検出器群の再配置と SMRD 等のインストールを開始した．図 6 はその様子を示している．今後は読み出しシステムのインストー

図 6: WAGASCI フルセットアップインストールの様子．手前は最初に建設された WAG
ASCI 水標的検出器，次にプラスチック標的検出器（Proton Module），その次に昨年度建設した 2 台目の WAGASCI 水標的検出器，その後ろにミューオン検出器が設置されている．両脇に立っているのが Side Muon
Range Detector である．手前の WAGASCIモジュールは水の注入のために傾けてある．

ルや検出器コミッショニングを行う予定である．一方，SMRD のモンテカルロシミュレーションの構成や検出器の宇宙線テストとの比較，読み出しエレクトロニクスの時間分解能評価とミューオンの運動方向判別の検討などを行った．

3. 荷電レプトンフレーバー非保存過程探索実験（清矢，山本，手島，吉中，高橋，足立，小向）
原子核に束縛された負ミューオンが電子に直接的に転換する過程，いわゆるミューオン・電子
転換過程を探索する実験 DeeMe の立ち上げを引き続き遂行した．電子を検出する multi-wire
proportional chamber（MWPC）や信号読み出しエレクトロニクス等の開発は基本的には終了して
おり，検出器の更なる高精度化を図りながら実験で使用するビームラインの建設を進めているところである．昨年度に，ミューオン・電子転換過程に対する最も大きな背景事象である束縛ミューオン軌道上崩壊（decay-in-orbit．略して DIO）の測定を，J-PARC の物質・生命科学実験施設（MLF）にあるミューオンビームライン（D ライン）を用いて行ったが，今年度は，この測定に対応するモンテカルロシミュレーションを整備する等の詳細なデータ解析を進めた．昨年度の報告と同様，図 7 にそのセットアップを示す．写真上部に見えるミューオンビーム出口直後にカー
ボン等の標的を置き，標的内に生成されたミューオン原子からの DIO 由来の電子を，電磁石（写
真中央付近の青色）の上流と下流に 2 台の MWPC を配置して検出する．ちなみに，カーボン等の比較的軽い原子の DIO 測定はこれまでに行われていないため，世界初の測定という意義もある．図 8 は，カーボン標的内で静止した正電荷ミューオンの崩壊によって生成された電子の運動量分布を，モンテカルロシミュレーションと比較したものである．これら電子の最大運動量は運動学的に 52.5 MeV/c と知られており，分布の高運動量側のエッジに対応しているため，運動量測定の較正にも使用できる．データとモンテカルロシミュレーションは矛盾がなく，データの理39図 7: J-PARC MLF の ミューオンビームラ
イン（D ライン）の D2 エリアにおいて行ったミューオン軌道上崩壊測定実験のセット
アップ．

図 8: 運動量スペクトロメータによって再構成された正電荷の電子の運動量分布．カーボ
ン標的内で静止した正電荷ミューオンの崩壊により生成された電子を検出している．黒い点はデータ，赤色のヒストグラムはモンテカ
ルロシミュレーション．

解が進んでいることがわかる．引き続き，DIO の運動量分布測定に向けて，系統誤差の評価等のより詳細な解析を行っていく．一方，DIO 測定データのその他の較正については，時間原点の決定， MWPC 読み出しシステム全体の同期をとるための時間補正，パルス波高におけるオフセッ
ト補正等を完成させた．さらに，今年の 3 月には，カーボン標的のみを用いた高統計 DIO 測定
を，昨年度と同じ MLF D2 エリアで行った．これにより，理論スペクトルの検証を高精度で行うことが可能となる．また，小型のプラスチックシンチレータ＋ファイバー読み出しカウンターを用いてミューオンビームプロファイルの測定も行い，ビームプロファイルが運動量測定に与える影響を調べる基礎データを取得した．
我々が独自に開発した高電圧（HV）スイッチング型 MWPC は，HV のオン・オフを 25 Hz で繰り返し，加速器運転と同期してガス増幅をダイナミックにコントロールする斬新なものである．
その高度化については，より高いガス増幅率と MWPC の安定動作の両立のため，充填ガスの種
類や混合比の最適化を進めている．また，MWPC 3 台を直線的に並べ，磁場の影響を除いた場合の電子検出位置分解能の測定なども行った．これらの研究・開発・測定には京都大学複合原子力研究所（KURNS）の電子線形加速器を用いた．
実験計画が実現に向けて進捗する中，ビームライン完成に向け，電磁石等のコンポーネントの最終的な配置を決定するため，モンテカルロシミュレーション等による最適化も進めた．また，
MWPC に対する HV コントロールシステムの改良も行った．

40

教育・研究業績
学術論文
1. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Search
for the Exotic Meson 𝑋𝑋(5568) with the Collider Detector at Fermilab”, Physical Review Letters 120,202006 (2018).
2. K. Abe, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration) : “Physics potentials
with the second Hyper-Kamiokande detector in Korea”, Progress of Theoretical and Experimental
Physics 2018, 063C01 (2018).
3. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Tevatron
Run II combination of the effective leptonic electroweak mixing angle”, Physical Review D 97,
112007 (2018).
4. K. Abe, Y. Azuma, J. Harada, T. Inoue, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K
Collaboration) : “Measurement of inclusive double-differential 𝜈𝜈𝜇𝜇 charged-current cross section withimproved acceptance in the T2K off-axis near detector”, Physical Review D 98, 012004 (2018).
5. N. M. Truong, Y. Seiya, N. Teshima, K. Yamamoto et al. : “Real-Time Lossless Compression of
Waveforms Using and FPGA”, IEEE Transactions On Nuclear Science 65, 2650 (2018)
6. K. Abe, Y. Azuma, J. Harada, T. Inoue, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K
Collaboration) : “Characterization of nuclear effects in muon-neutrino scattering on hydrocarbon witha measurement of final-state kinematics and correlations in charged-current pionless interactions at
T2K”, Physical Review D 98, 032003 (2018).
7. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Searchfor standard-model 𝑍𝑍 and Higgs bosons decaying into a bottom-antibottom quark pair in
proton-antiproton collisions at 1.96 TeV”, Physical Review D 98, 072002 (2018).
8. K. Abe, Y. Azuma, J. Harada, T. Inoue, H. Kim, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K
Collaboration) : “Search for 𝐶𝐶𝐶𝐶 Violation in Neutrino and Antineutrino Oscillations by the T2K
Experiment with 2.2 × 1021 Protons on Target”, Physical Review Letters 121, 171802 (2018)【Editors’ Suggestion, Featured in Physics】.
9. N. Kawamura, F. Morimoto, Y. Seiya et al. : “New concept for a larger-acceptance general-purpose
muon beamline”, Progress of Theoretical and Experimental Physics 2018, 113G01 (2018).
10. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) :“Measurement of the differential cross sections for 𝑊𝑊-boson production in association with jets in 𝑝𝑝𝑝𝑝̅
collisions at √𝑠𝑠 = 1.96 TeV”, Physical Review D 98, 112005 (2018).
11. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration) : “Searchfor Higgs-like particles in association with bottom quarks in proton-antiproton collisions”, PhysicalReview D 99, 052001 (2019).

プロシーディングス
1. 手島 菜月 : ”DeeMe experiment to search for muon to electron conversion at J-PARC MLF”，The
19th International Workshop on Neutrinos from Accelerators (NuFact2017)，2017年9月25日～30日，
Uppsala, Sweden, PoS NuFact2017, 109 (2018).
2. 金 賢一 : “Measurement of neutrino interaction ratio between water and hydrocarbon using a new
detector with a 3D grid structure” (poster)，The 19th International Workshop on Neutrinos fromAccelerators (NuFact2017)，2017年9月25日～30日，Uppsala, Sweden, PoS NuFact2017, 155 (2018).

国際会議講演等
1. 金 賢一 : “Measurement of neutrino interactions on water and hydrocarbon with a 3D-grid detector
in the WAGASCI experiment” (poster)，The 28th International Conference on Neutrino Physics andAstrophysics (NEUTRINO2018)，2018年6月4日～9日，Heidelberg, Germany.

41

2.

3.

手島 菜月 : ”Muon-electron conversion experiments at J-PARC”（招待講演），The 15th
International Workshop on Tau Lepton Physics (TAU2018)，2018年9月24日～28日，Vondelkerk,
Amsterdam, Netherlands.
手島 菜月 : ”Development of the detectors for the DeeMe experiment” (poster)，The 15th
International Workshop on Tau Lepton Physics (TAU2018)，2018年9月24日～28日，Vondelkerk,
Amsterdam, Netherlands.

学会・研究会講演等
1. 吉中 晴香：「J-PARC MLF ミューオンビームによる標的照射データを用いた μ-𝑒𝑒 転換過程
探索実験 DeeMe の読み出しエレクトロニクスの較正と MWPC のヒットデータ解析」，日
本物理学会 2018 年秋季大会，2018 年 9 月 14 日～17 日，信州大学 松本キャンパス．
2. 田中 慎也：「J-PARC WAGASCI プロジェクトにおける横方向ミューオン飛跡検出器の性能評価」，日本物理学会 2018 年秋季大会，2018 年 9 月 14 日～17 日，信州大学 松本キャン
パス．
3. 手島 菜月：「μ-𝑒𝑒 転換過程探索実験 DeeMe に用いられる高レート耐性 MWPC の性能評
価と充填ガス最適化」，日本物理学会 2018 年秋季大会，2018 年 9 月 14 日～17 日，信州大学
松本キャンパス．
4. 久木田 直哉：「T2K-WAGASCI プロジェクトにおける横方向ミューオン飛跡検出器の運動
方向識別能力の評価」，日本物理学会第 74 回年次大会，2019 年 3 月 14 日～17 日，九州大学
伊都キャンパス．
5. 手島 菜月：「ミューオン電子転換過程探索実験 – DeeMe – : 準備状況（11）」，日本物理学会第 74 回年次大会，2019 年 3 月 14 日～17 日，九州大学 伊都キャンパス．
6. 金 賢一：「水標的格子型検出器 WAGASCI を用いた T2K off-axis 角 1.5 度における反ニュートリノ荷電カレント反応断面積の測定結果」，日本物理学会第 74 回年次大会，2019 年 3
月 14 日～17 日，九州大学 伊都キャンパス．

学位論文
卒業論文
1. 小幡 拓也，本條 貴司：「WAGASCI フルセットアップ測定に向けた GEANT4 シミュレーションの構成」
2. 小向 倖平：「ミューオン原子生成標的からのミューオン軌道上崩壊測定用カウンターの製作と性能評価」

修士論文
1. 久木田 直哉：「Performance of muon range detector for neutrino-nucleus interaction crosssection measurements」
2. 田中慎也：「新ニュートリノ検出器 WAGASCI における横方向ミューオン飛跡検出器の製作及び大角度領域におけるニュートリノ反応のシミュレーション」
3. 吉中 晴香：「J-PARC MLF ミューオンビームによる標的照射を用いたミューオン・電子転換過程探索実験 DeeMe の読み出しエレクトロニクスの較正」

博士論文
1. 金 賢一：「Measurement of Charged-Current Cross Sections on Water and hydrocarbon at an
Off-Axis Angle 1.5 Degrees Using the T2K Anti-Neutrino Beam」
2. 手島 菜月：「Development of the Detectors for the Muon-to-Electron Conversion Search

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Experiment Using Pulsed Proton Beam from J-PARC RCS and Measurement of Momentum
Spectrum of Muon Decay in Orbit from Muonic Atoms」

研究助成金取得状況
1.

2.
3.

清矢 良浩：新学術領域研究「ニュートリノで拓く素粒子と宇宙」計画研究 A02 「加速器ニュートリノビームで探る素粒子の対称性」（分担），直接経費：160万円，間接経費：48万円．
清矢 良浩：基盤研究（A）「革新的な実験手法を用いたミューオン・電子転換過程探索の進展」（分担），直接経費：200万円，間接経費：60万円．
清矢 良浩：基盤研究（C）「次世代型ミュー粒子・電子転換過程探索実験に向けたファイバ
ー飛跡検出器の開発」（代表），直接経費：80万円，間接経費；24万円．

その他
1.
2.
3.
4.
5.

清矢 良浩：「宇宙の起源解明への挑戦 – 素粒子物理学入門 －」，大阪市立大学文化交流
センター講座：《温故知新》，2018年6月12日，大阪市立大学文化交流センター．
清矢 良浩：教育活動表彰：学長重点事項分野（サイテーションで最も顕著な実績を有する者），2018年6月25日．
清矢 良浩：南部陽一郎大阪市立大学特別栄誉教授ノーベル物理学賞受賞 10 周年記念国際シンポジウム運営委員
清矢 良浩：「神の粒子ヒッグスの登場」，南部陽一郎大阪市立大学特別栄誉教授ノーベル物理学賞受賞 10 周年記念市民特別セミナー，2018年12月16日，大阪市立大学田中記念館．
清矢 良浩：「宇宙の神秘探求が人類いもたらすもの」，第 1 回市大・府大合同万博2025
パビリオン構想フォーラム勉強会「飛び立て宇宙へ！」，2019年1月31日，あべのメディックス．

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重力波実験物理学研究室
神田 展行 (教授)伊藤 洋介 (准教授)澤田 崇広 (特任講師)
土田 怜 (博士研究員)

田中 一幸 (D3)宮本 晃伸 (D3)佐々井 毬花 (M2)富上 由基 (M1)
山東 咲海 (B4)杉本 元気 (B4)

研究概要
大型低温レーザー干渉計型重力波望遠鏡 KAGRA
KAGRA は岐阜県神岡鉱山内に基線長 3km のレーザー干渉計を設置し、重力波の観測を目指している。(図 1)。
KAGRA 計画は東大宇宙線研究所をホストとした大型共同研究である。本件研究室は KAGRA において、データ取得・転送系、データ解析（重力波イベントの探索、検出器
診断）、キャリブレーションなどを担い、計画の中核となる機関として研究活動を行なっている。KAGRA は 2016 年 3月-4 月の常温鏡での試験運転 ‘iKAGRA’ に引き続き、2017
年は年度末の低温鏡によるマイケルソン干渉計動作に向けてインストールを続け、2017 年３月には片方の鏡を冷やしての動作を行った。その後、2018 年 4,5 月には、‘bKAGRA
phase-1’ として運転を行った。
図 1: 大型低温重力波望遠鏡 KAGRA
2018 年度は、本研究室はデータ転送系とデータ解析そし 概略図てキャリブレーション関連を中心に KAGRA に貢献した。

KAGRA データ転送系の開発・実装・運用（神田、土田、佐々井）
重力波観測では、地球上の離れた多地点での観測の時間差（位相差）、振幅比、偏極特性から、重力波源の方向を推定する。連星中性子星合体や超新星などの重力波源は、同時に電磁放射（可視光、赤外、X 線、ガンマ線など）やニュートリノ放射が期待される。重力波観測が速やかにイベント検出を報告することで、こうした別の放射の追観測が可能となる。複数の観測によるマル
チメッセンジャー天体観測は、重力波観測の典型的な恩恵であり、また波源天体の詳しいサイエンスを得るための方法として、重力波初観測以来大いに注目を浴びている。
KAGRA は国際重力波観測網において波源方向の決定などにおいて期待されているが、その役目を果たすには米国
LIGO、欧州 Virgo と観測データを共有して解析する必要がある。また追観測にイベント速報を出すために、データ交換は可能な限り低遅延で行う必要がある。そのため、我々は LIGO,Virgo と協力して、重力波データの低遅延での共有を進めた。図 2 にその概略を示す。KAGRA 検出器サイト（岐阜県神岡鉱山）で生成された較正データ（後述：重力波
信号の再構成と較正（澤田））を、東大宇宙線研（柏）に設置した低遅延共有用計算サーバに送信する。低遅延共有用
計算サーバでは、LIGO,Virgo の同様のデータを受け取り、同時に KAGRA のデータを送信する。これらのデータは時
図 2: KAGRA と海外実験のデータ共有概略図
44系列の 1sec 単位のデータである。サーバでは共有メモリ上に保持し、逐次更新してゆく。2018 年
は以上の仕組みを実装し、較正計算を含む KAGRA サイトから柏への遅延は３秒間程度、LIGO,
Virgo からの遅延は６〜１３秒程度で動作した。このデータ共有は 2018 年 6 月から試験的におこ
なわれ、その後常時稼働状態となっている。また次に述べる大阪市立大学における重力波データ
解析システムへも 2019 年度前半には低遅延データの送信を行う予定である。

重力波データ解析システムの整備・増強（神田、伊藤）
我々は、KAGRA および来年度 (2019 年度) 以降には LIGO,Virgo の観測データを解析し、重力波イベントの探索や波源の物理的諸性質を探る。そのために、重力波データ解析システム (ORION
クラスタと呼称。図 3) の整備・増強をおこなった。
この解析システムは Linux を OS とする複数台のサーバからなるクラスタ計算機である。従前から有していたクラスタ
計算機は、導入時に仮想プライベートネットワークによるリ
モートサイト間の統合環境の構築が目的の一つであったこともあり、２つのクラスタに別れて構成されていた。その経験は KAGRA のデータ転送系の主要部に用いられ、一定の役目を終えた。そこで、データ解析の性能強化に特化すること、および、LIGO などの最新のソフトウエアを用いるために、クラスタを１つに統合し、最新 OS（Scientific Linux 7系）にアップデートする整備をおこなった。同時に計算能力を増強するために、計算ノードを追加した。ORION クラス 図 3: 市大の重力波データ解析システ
タ全体で、総 CPU コア数 920、データストレージ容量 324 ム：ORION クラスタ
TB となり、KAGRA の占有する国内クラスタでは最大の計算能力を有する。
なお、このクラスタの増強・整備は、科研費（基盤 (S) 代表：神田、新学術領域研究（分担：伊藤、神田）、基盤 (S)（代表：茂山（東大理）、分担：伊藤））を用いて行った。これらの研究における KAGRA データ解析を行う。

連続波データ解析 (伊藤)伊藤は、「文部科学省 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）平成 29〜令和 3
年度 Gravitational wave physics and astronomy: Genesis（重力波物理学・天文学：創世記） 領
域番号：2905」の計画研究 B01：
「中性子星を含む連星、パルサー、マグネターからの重力波による宇宙物理学の研究 (代表: 田越秀行・東京大学准教授)」の研究分担者である。本計画研究において伊藤は、単独中性子星からの重力波の検出コードの開発をおこなっている。KAGRA のサイエンスに関する議論として、低周波数 (∼100Hz)、中間周波数 (100Hz-500Hz)、高周波数 (500Hz∼)における可能な重力波源と期待されるサイエンスを提示し、低周波で感度の良い LIGO/Virgo 重力検出器に対して中間周波数-高周波数で感度を良くすることで LIGO/Virgo に伍する結果を得るべきとの報告をまとめた。
また、東京大学ビッグバン宇宙国際研究センターの粂潤哉、関口豊和、横山順一、森崎宗一郎
氏らと、独立成分解析 (Independent Component Analysis: ICA) を iKAGRA データに適用して連続波探索におけるその有用性示す研究をおこなっている。本研究結果はデータ解析グループとしては初の KAGRA 全著者論文として投稿中である。

45

重力波信号の再構成と較正（澤田）
基線長 3km のレーザー干渉計型重力波検出器
KAGRA（岐阜県神岡鉱山）は、重力波による空間の歪み変動（2 点間の距離変動）をレーザー光によって精密測定することで重力波を観測する装置である。レーザー干渉計の出力ポートの光の変動は、光検出器により電圧信号として検出された後、デジタル信号に変換され記録される。事前に精密測定した検出器の応答特性を用
図 4: KAGRA の制御と重力波信号再構成の簡略図
い、このデジタル信号から元の重力波信号を低遅延で再構成する「低遅延パイプライン」を作成し、低遅延解析を行う日本及び世界の各地にデー
タを高速転送できるようにした。
また重力波観測において、干渉計感度のみならず測定により得られる重力波信号の波形の精度も重要となってくる。そこで干渉計の主鏡に外部から強度変調させたレーザー光線を打ち込み、その光の輻射圧を利用して主鏡を揺らす装置（Photon Calibrator と呼ばれる）の準備を進め、擬似的な重力波波形を試験注入することで検出や解析の能力を評価、またデータ較正を行えるシステ
ムの構築を行った。

レーザー干渉計型重力波検出器における遷移波形解析（土田）KAGRA などのレーザー干渉計型重力波検出器は、10−21 程度の微小な変位でも検知可能な非
常に高い感度を有している。そのため、重力波のみではなく他の外的要因による興味深い信号が検出される可能性がある。この「外的要因」のひとつとして考えられるのが、レーザー干渉計の鏡への暗黒物質の衝突である。暗黒物質が鏡に衝突すると、一時的に振り子の運動や鏡の変形が誘起され、干渉計の腕の長さがわずかに変化する。この変位が十分に大きければ、暗黒物質由来の信号がレーザー干渉計型重力波検出器によって検知されることが期待できる。
そこで我々は、暗黒物質衝突による鏡の変位の大きさを見積もった。その結果、相対的に薄い（半径が大きい）鏡であれば、検出器の感度と比較して大きな信号を得られることが示された。また、レーザー干渉計型重力波検出器による 1 年間の観測時間を通して、暗黒物質衝突による信号が 1 度も検出されなかった場合には、暗黒物質と通常の物質との間の相互作用断面積に与えられる上限値がこれまでの制限よりも厳しくなる可能性が見出された。
この結果は、レーザー干渉計型重力波検出器が「暗黒物質検出器」としても有用であることを示唆しているように見えるが、実データを解析する際には雑音との区別が必要であり、一筋縄ではいかない。ただしこれについては、遷移波形信号の抽出を効率よく行うべく我々が考案した「定常的に存在するコヒーレントな雑音を除去するための解析手法」が役立つのではないかと思われ、
現在その効果を考察中である。
なお、これらの研究は超新星爆発などによる遷移「重力波」波形の解析にも応用可能であることが見込まれ、当然のことながら重力波研究の発展に貢献するものであり、今後の進展に期待がかかるものである。

KAGRA における光輻射圧較正レーザー照射位置測定のための画像解析（富上）重力波検出器 KAGRA では干渉計の較正に光輻射圧較正装置 (Photon Calibrater, 以下 PCal)を使用している。これは干渉計鏡に二本の較正レーザーを照射し、光の輻射圧で鏡を揺らすこと
で、干渉計の較正を行うものである。PCal は干渉計の較正において非常に重要な役割を担うが、二つの問題が生じる。一つは干渉計鏡の回転を誘発する可能性である。二本の PCal レーザーがそれぞれ干渉計鏡の非対称な位置に照射されることで、鏡の回転を誘発する。二つ目の問題は、干渉計鏡の弾性変形である。PCal レーザーは干渉計鏡へ直接照射されるため、鏡の弾性変形を生じ

46

させうる。これは二本のレーザーの照射位置を鏡の固有振動の節にすることで抑えることが可能であるが、長時間の運転の間に照射位置の変動を抑える必要がある。
上記の問題に対処するため、干渉計鏡上のPCal レーザーの照射位置を測定する必要がある。そこで画像解析を用いたレーザー位置測定システムの開発に取り組んだ。望遠レンズとカメラを用いて干渉計鏡を撮影し、その撮影画像をレーザーと干渉計鏡の本体部分に分けて解析することで照射位置を算出する。鏡の縁とビー
ム輝点を画像解析により求め、さらにその解析を自動化した。この測定を定期的に行うことで、レーザー照射位置の変動を検出することが可能
図 5: PCal レーザー照射位置の測定となった。

教育・研究業績
学術論文
1. KAGRA collaboration, “KAGRA: 2.5 generation interferometric gravitational wave detector”, Nature Astronomy volume 3, pages35-40 (2019)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41550-018-0658-y
2. Abbott, B. P. et al. (KAGRA Collaboration, LIGO Scientific Collaboration and Virgo
Collaboration), “Prospects for observing and localizing gravitational-wave transients with
Advanced LIGO, Advanced Virgo and KAGRA”,
Living Reviews in Relativity (2018) 21: 3.
DOI: https://doi.org/10.1007/s41114-018-0012-9
3. Yuki Inoue, Sadakazu Haino, Nobuyuki Kanda, Yujiro Ogawa, Toshikazu Suzuki, Takayuki
Tomaru, Takahiro Yamanmoto, and Takaaki Yokozawa,“Improving the absolute accuracy of the gravitational wave detectors by combining thephoton pressure and gravity field calibrators”,
Phys. Rev. D 98, 022005 (2018),
DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.022005
4. 酒井一樹, 神田展行, 大原謙一, 山本尚弘, 宮川治, 佐々木幸次, 植木聡史, 高橋弘毅,“大型低温重力波望遠鏡 KAGRA におけるデータ自動転送システムの開発と性能評価 “,
電子情報通信学会論文誌 B, Vol.J101-B No.9, pp.818-827 (2018).
DOI: https://doi.org/10.14923/transcomj.2017JBP3064
5. “Construction of KAGRA: an underground gravitational-wave observatory”, T Akutsu etal., the KAGRA collaboration,
Progress of Theoretical and Experimental Physics, Volume 2018, Issue 1, 1 January 2018,
013F01,
DOI: https://doi.org/10.1093/ptep/ptx180

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学会・研究会講演1. 富上由基, “KAGRA 重力波観測実験と Photon Calibrator の鏡位置モニター系の開発”, ア
インシュタインセミナー 2018 年度
2. 土田怜, “重力波検出器 KAGRA における伝達関数測定とモデル作成”, 日本物理学会 2018 年
秋季大会
3. Satoshi Tsuchida, “The estimation for systematic errors of transfer functions on the bKAGRA phase-1 operation”, GWPAW2018(Gravitational Wave Physics and Astronomy
Workshop)
4. Satoshi Tsuchida, “The transfer functions and estimation for their systematic errors on
the bKAGRA phase-1 operation ”, International Symposium in Honor of Professor Nambu
for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics
5. 澤田崇広, “Exclusive Drell-Yan experiment at J-PARC for studying proton GPDs”, The
2nd workshop on Parton Distribution Functions and Lattice QCD
6. 澤田崇広, “bKAGRA phase 1 における較正精度の見積もり”, 日本物理学会 2018 年秋季大会
7. N.Kanda on behalf of KAGRA collaboration, “KAGRA data management : Toward PhaseII and O3”, 4th KAGRA International Workshop
8. Nobuyuki Kanda (Osaka City U.) on behalf of the KAGRA collaboration, “Status of
KAGRA”, LSC-Virgo Meeting
9. 神田展行, KAGRA collaboration, “キャリブレーションの系統誤差効果を考慮した KAGRA
シミュレーションデータ”, 日本物理学会 2018 年秋季大会
10. N.Kanda on behalf of KAGRA collaboration, “Status of KAGRA toward the observationin 2019-2020”, SNeGW ν 2018 (Deciphering multi-Dimensional nature of core-collapse
SuperNovae via Gravitational-Wave and neutrino signatures )11. Takahiro Sawada, “Gravitational Wave Telescope KAGRA, Signal Reconstruction and Calibration”, International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversaryof his Nobel Prize in Physics
12. Akinobu Miyamoto, “Gravitational wave astronomy using distant binary black hole mergers”, International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of
his Nobel Prize in Physics
13. 宮本晃伸, “bKAGRA phase1 における重力波波形注入試験 (2)”, 日本物理学会 2018 年秋季大会
14. 宮本晃伸, 衣川智弥, 神田展行, “第三世代重力波検出器を用いた観測による種族 III 星の間接的な存在証明について”, 日本物理学会第 74 回年次大会
15. 神田展行, KAGRA collaboration, “KAGRA のデータ配送と国際重力波観測ネットワークのデータ共有”, 日本物理学会第 74 回年次大会
16. 澤田崇広, KAGRA collaboration, “KAGRA における光輻射圧を用いた重力波波形注入試
験”, 日本物理学会第 74 回年次大会
17. 土田怜, KAGRA Collaboration, “KAGRA シミュレーションデータの作成と性能評価”, 日本物理学会第 74 回年次大会
18. 富上由基, KAGRA Collaboration, “KAGRA における光輻射圧較正レーザー照射位置測定のための画像解析”, 日本物理学会第 74 回年次大会

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学位論文
博士論文
1. 宮本 晃伸 ： 重力波観測による大質量ブラックホール連星起源の研究 (Study on origins ofmassive black hole binaries using gravitational wave observations)

修士論文
1. 佐々井 毬花：重力波による連星の質量パラメーター決定精度の研究 (Study on accuracy ofmass parameters of coalescing binary stars using gravitational wave)

卒業研究
1. 山東咲海：重力波信号の画像解析
2. 杉本元気：超光速粒子からのチェレンコフ重力波研究助成金取得状況
1. 科学研究費助成事業 基盤研究 (S)「重力波観測時代に臨む較正標準化とデータ解析高精度化」（代表：神田展行、2017-2021 年度）
2. 科学研究費助成事業 「パルサーからの重力波の探索」（代表：伊藤洋介、2015-2019 年度）
3. 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「重力波物理学・天文学：創世記」
計画研究 B01「中性子星を含む連星，パルサー，マグネターからの重力波による宇宙物理学の研究」（代表：田越秀行（東大宇宙線研）、分担：伊藤洋介ほか、2017-2021 年度）
4. 科学研究費助成事業 新学術領域研究（研究領域提案型）「重力波物理学・天文学：創世記」
計画研究 C01「重力波天文学で解き明かす超新星爆発の物理」（代表：固武 慶（福岡大理）、分担：神田展行ほか、2017-2021 年度）
5. 科学研究費助成事業 基盤研究 (S)「高速掃天観測による連星中性子星合体現象の研究」（代表：茂山俊和（東大理）、分担：伊藤洋介ほか、2016-2020 年度）
6. 科学研究費助成事業 「多波長重力波宇宙物理学の開拓」（代表：横山順一（東大理）、分担：
伊藤洋介ほか、2015-2019 年度）
7. 平成 30 年度学術研究動向調査等に関する委託研究・研究題目：「粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験分野に関する学術研究動向 -マルチメッセンジャー天体観測のもたらす知見-」（研究担当者：神田展行）

海外出張および海外研修
1. 神田展行,“LIGO software meeting”, California Institute of Technology, USA, 6/11-17, 2018
2. 神田展行, 伊藤洋介,“The 4th KAGRA International workshop”, Ewha Womans University, Seoul, Korea, 6/2930, 2018
3. 神田展行, 澤田崇広,“LSC-Virgo Meeting”, Maastricht, the Netherlands, 9/3-10, 2018
4. 神田展行, 土田怜, 佐々井毬花,“ Gravitational Wave Physics and Astronomy Workshop”, University of Maryland, USA,
11/30-12/5

49

主催、共催の研究会
1. SNeGWν2018 (Deciphering multi-Dimensional nature of core-collapse SuperNovae via
Gravitational-Wave and neutrino signatures, 富山国際会議場, 2018/10/8-10
2. 19th KAGRA Face to Face meeting, Osaka-City University, 2018/05/18-20

その他
1. 2018 年度オープンキャンパス 体験授業担当, 2018/8/4-5（伊藤、神田、富上）
2. 2018 年度市大理科セミナー担当, 授業「ポテチの容器で宇宙線を見よう！」、2018/8/4-5（神田、伊藤、富上）
3. 神田展行：日本学術振興会システム研究センター 数物系科学専門研究員
4. 伊藤洋介：名古屋大学セミナー、“Status of KAGRA and gravitational wave data analysis”、
名古屋大学、2018/05/30
5. 伊藤洋介：大阪市立大学理論グループセミナー、“Status of KAGRA and gravitational wave
data analysis”、大阪市立大学、2018/5/25
6. 神田展行・伊藤洋介：「重力波で探る宇宙（富田林高校生による研究室見学）」、2018/8/1
7. 伊藤洋介：「全国同時七夕講演会２０１８・重力波で探る宇宙」、大阪市立科学館、2018/7/8
8. 伊藤洋介：Japan Gravitational Wave Consortium 運営委員、2018/9/1-2020/8/31

50

宇宙・素粒子実験物理学研究室
中野英一
岩崎昌子

准教授
准教授

岸田直也 (M1)
城庵 颯 (M1)
山村晴菜 (M1)

片山 翼 (B4)中 祐介 (B4)森川滉己 (B4)

研究概要
1.

Belle II 国際共同実験.(中野，岩崎，山村)高エネルギー加速器研究機構（KEK）の SuperKEKB 加速器を用いた Belle II 国際共同実験を行なっている. Belle II 実験は，SuperKEKB 加速器を用いて電子・陽電子対消滅
反応によって大量に生成される B 中間子対の崩壊過程から，CP 対称性の破れの検証や B
中間子の稀崩壊の測定などを目的とした国際共同実験である. 大阪市立大学の研究グル
ープは Belle II 測定器の中央飛跡検出器 (CDC) を担当しており，CDC に関わるソフト
ウェアの開発，および，CDC 内の電子のドリフトをシミュレーションして CDC の挙動の詳細な解析を行っている.
前年度末から始まった phase 2 と呼ばれる運用で電子と陽電子の初衝突事象を4月に観測した（図１）．phase 2 での運転は7月に終え，この間に収集したデータを用いて CDCの校正を行い，さらに CDC のシミュレーションやデータ解析に必要なソフトウェア開発を進め，3月からは崩壊点検出器を組み込んで phase 3 と呼ばれる本格的な実験を開始
した．

図１

Belle II の初衝突事象のイベントディスプレイ

6月には KEK にBelle II 実験に参加する各機関の代表者を招いての記念式典が挙行され，大阪市立大学からは，鈴木学長補佐と岩崎が出席した．
さらに，大阪大学中之島センターにおいて開催された，主に関西地区の大学４年生，修士１年 の大学院生を対象にした Belle II 実験の勉強会を，大阪大学，奈良女子大学と共催した[14]．この勉強会には約 40 名が参加し，Belle II 実験で目指す物理，SuperKEKB
加速器，Belle II 測定器の解説などを行った[2]．

51また，国際ワークショップにおいてBelleII実験の現状報告(招待講演[1])，SuperKEKB加速器の現状報告[4]を行った．
2.

KEK B ファクトリー加速器による素粒子実験 (Belle 実験).(中野，岩崎，岸田)高エネルギー加速器研究機構の KEKB 加速器を用いた Belle 国際共同実験を行なっている. 大阪市立大学の研究グループはBelle 測定器の最も外側に位置する KL 中間子/μ 粒
子検出器 (KLM) の読み出しおよび μ 粒子同定を担当している.Belle 実験は，KEKB 加速器を用いて電子・陽電子対消滅反応によって大量に生成される B 中間子対の崩壊過程
から，CP 対称性の破れの検証や B 中間子の稀崩壊の測定などを目的とした国際共同実験である.また，チャームクォーク対生成事象や，τ レプトン対生成事象，高統計のデータを利用して共鳴状態の探索を行なっている.また，QCDの研究も行っている．

3.

機械学習の適応研究（岩崎，岸田，城庵，森川）
原子核・素粒子実験では大量のデータを取り扱うが，この大量データを，より効率的に，学術的結果へ導くためには，近年発展が著しい深層学習の適応が，有効だと考えられる．
約20名，研究機関10機関で構成される原子核・素粒子実験分野研究者，原子核理論研究者，
情報科学研究者による深層学習研究グループを立ち上げ，大阪大学RCNP研究プロジェクトとして採択された[13]．このプロジェクトにおいて，大阪市大は，以下の研究を進めている．
Belle・ILC実験でのフレーバー識別・信号識別（岩崎，岸田）
深層学習を用いた，フレーバー識別・信号識別手法を開発した．Low-level dataを取り扱う手法を開発し，識別性能を向上した．結果を研究会・学会で発表した．[5,7]

ILC実験用電磁カロリメータエネルギー較正（岩崎，森川）
オレゴン大学，スタンフォード大学と共同で，機械学習を用いた，電磁カロリメータ(サンプリング型カロリメータ)のエネルギー較正方法を開発した．この手法により，エネルギー較正での非線形性と粒子依存性を解消させることができた．結果を研究会・学会で発表し，また，卒業研究としてまとめた[6,8,10]．



KEK Linac加速器運転調整（岩崎，城庵）
KEK加速器と共同で，機械学習を導入したKEK Linac加速器雲梯調整手法の開発を進めている．Linac加速器の実運転データを取得し，そのデータをもとに開発を行っている．

機械学習の適応研究に関して，学内研究助成金の獲得[12]，国際ワークショップの開催と講演を行った[3,18]．

4.

EPICSを用いた機器制御の開発（岩崎，中）シングルボードコンピューター(RPi3)を用いて，大学研究室内に，分散型機器制御シス
テムを構築した．分散型機器制御の実装は，EPICSを用いて行った．GPIOポートを用いて，

52

I2C通信により温度センターを制御するシステムを構築，デバイス制御プログラムを作成
し，温度センサーのモニタリング，制御を行った．結果を卒業研究にまとめた[9]．
5.

マイクロパターン・ガスディテクター (MPGD) の研究開発.(中野)
薄型で2次元読み出しを行なえるガス検出器の1つであるガス電子増倍器 (GEM) の他分野への応用をはかる目的で，高エネルギー加速器研究機構，杏林大学，近畿大学との共同研究を行ない，Heベースガスを用いた物質量が少ない GEM の開発，中性粒子測定用
GEM の開発を進め， GEM の応答を理解するために荷電粒子と検出器の反応をシミュレー
トするプログラム (GEANT4) や電場計算プログラム (Maxwell) と検出器シミュレーショ
ンプログラム (Garfield) を用いた GEM のシミュレーションを行なっている.

6.

希ガスを用いない検出器の研究開発.(中野，片山)
数年前に他分野の学術誌で報告されたが，これまでに高エネルギー物理学実験に使用されていなかった混合ガスをこの分野で使用可能か検証を行った．前年度に引き続き，ガスを用いた検出に広く使われる希ガスと炭化水素ガスの組み合わせを使用しないガス検出器の開発を進め，窒素と二酸化炭素の組合せが有望であることを確認し，その結果を卒業研究としてまとめた[11]．

教育・研究業績
学術論文
学会・研究会講演
1. “Belle II Status and Prospects”，岩崎昌子，Asian Linear Collider Workshop 2018，2018年5月
2. 「BelleII日本人グループの紹介」，岩崎昌子，関西B実験４年生・M1対象勉強会，2018
年6月
3. “Machine Learning Application for Experimental Particle Physics : Activities in
Osaka”，岩崎昌子，Osaka-Groningen Mini Workshop : Data Science and Nuclear /Elementary Particle Physics， 2018年12月
4. “The SuperKEKB Accelerator : Construction and Operations”, 岩 崎 昌 子 ,International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of
his Nobel Prize in Physics, 2018年12月
5. “R&D of the Flavor-tag Method based on Machine Learning for High Energy
Experiments”,岸田直也, 岩崎昌子, 他４名，The 2nd KMI school (KMI school 2019)2019年02月
6. “R&D of The Energy Calibration based on Machine Learning for the SiD ECL”,森川滉己, 岩崎昌子, 他5名, The 2nd KMI school (KMI school 2019) 2019年02月
7. 「機械学習を用いたフレーバー識別用ツールの開発」，岸田直也, 岩崎昌子, 他4名，日本物理学会第74回年次大会 2019年03月
8. 「機械学習を用いたSiD測定器電磁カロリメータエネルギー較正の開発」，岩崎昌子, 森川滉己, 他5名，日本物理学会第74回年次大会 2019年03月

53

学位論文
卒業研究
9. 中祐介：EPICSを用いたネットワーク分散型機器制御の開発
10. 森川滉己：機械学習を用いた ILC SiD ECL エネルギー較正
11. 片山翼：希ガスを用いないチェンバーガスの研究

研究助成金獲得状況
12. 「素核物理学実験における深層学習の適用研究：データ解析技術開発および教育教材開発」文部科学省: 文部科学省補助事業「ダイバーシティ研究環境実現イニシアティブ（牽引型）」 研究期間: 2018年6月 - 2019年3月
代表者: 岩崎昌子

その他
13. 大阪大学RCNP研究プロジェクト採択「加速器実験および関連分野への深層学習の適用と進化」，代表者：岩崎昌子，2018年5月
14. 関西 B 実験 4 年生・ M1対象勉強会，大阪大学，【研究会主催，世話人】岩崎昌子，2018年6月
15. 研究室見学 : 大阪府立高津高等学校 体験型進路学習（GLHS事業）【講師】岩崎昌子， 2018年11月12日
16. ”Osaka-Groningen Mini Workshop: Data Science and Nuclear / Elementary Particle
Physics”，大阪大学，【研究会主催，世話人】岩崎昌子，2018年11月
17. 市民特別セミナー2018講演会「宇宙の謎を解く鍵 －南部先生が見つけたもの－」【司会】岩崎昌子， 2018年12月16日
18. 第15回MPGD研究会， 京都大学，【世話人】中野英一，2018年12月

54

素粒子論研究室
中尾憲一
教授
丸信人
准教授

鈴木良拓(博士研究員)
根岸宏行(博士研究員)
高橋一麻(D1)
芦田尊(M2)
大野木嵩智(M2)大川瞭(M1)
鈴木光世(M1)
廣瀬拓哉(M1)
藤岡奈央(M1)
矢田貝祥貴(M1)

研究概要
人類によるミクロ世界の認識は、物質→分子→原子→電子と原子核、原子核→ハドロン→
クォークと進んできました。電子は６種類確認されているレプトンと呼ばれるグループに属し、クォークも６種類確認されています。また、これらの素粒子の間に働く相互作用(重力、
電磁気力、弱い力、強い力)を媒介するゲージ場の存在も確認されています。近年、唯一の未発見粒子であったヒッグス粒子も発見されました。素粒子論研究室では、素粒子標準模型を超える物理の現象論、特に超対称性や高次元に基づいた現象論の研究に力を入れています。
まら、宇宙論やブラックホール、そして重力崩壊による時空特異点の形成などに注目して、強い重力場の物理に関する研究を行っています。
素粒子論研究室において2018年度に行われた研究は以下の通りです。
1. ゲージ・ヒッグス統一模型が予言するダークマターの研究（丸）ゲージ・ヒッグス統一模型では、階層性問題を解決するためにヒッグス場を高次元ゲー
ジ場の余剰空間成分に同一視する。この設定では、ヒッグス粒子と同じ量子数をもつ
SU(2)L 2重項ベクトル場が模型によらずに必ず存在する。本研究では、このベクトル場の第一カルツァ・クライン励起モードがダークマターになる可能性を研究した。ダークマタ
ーの安定性は、カルツァ・クラインパリティで保証される。ダークマター残存量密度は、
通常のWIMPと同様にダークマター質量が1TeVオーダーであれば説明できる。高次元ゲージ対称性の構造から、SU(2)L 2重項ダークマターはヒッグス場およびZボソン場と直接相互作用しないことがわかり、直接探索地下実験からの制限を回避できることを示した。この研究は、岡田宣親氏(アラバマ大)、岡田里見氏(山形大)との共同で進められた(論文1)。
2. ゲージ・ヒッグス統一模型における電弱対称性の破れとヒッグス場の質量（丸）ゲージ・ヒッグス統一模型では、ヒッグスポテンシャルは古典的に生成されず量子効果
によって生成される。電弱ゲージ対称性の破れSU(2)L×U(1)Y→U(1)emおよびヒッグス粒子の質量125GeVを説明するためには、模型のフェルミオン場としてどのような表現を採用するかが非自明で、高次元場だけで構成すると複雑になる傾向がある。本研究では、境界ブレーン上にしか局在しないフェルミオン場も導入して、比較的シンプルな表現のフェルミオン場で、電弱対称性の破れが実現し、ヒッグス場の質量を説明する模型を構築した（論文2）。また、リニアコライダー実験で重要になるヒッグス場の３点自己相互作用結合定数をこの模型から導出し、標準模型からの予言と比較して70%ずれることを予言した（論文3）。この研究は、安達裕樹氏(松江高専)との共同で進められた。
3. ゲージ・ヒッグス大統一理論におけるフェルミオン質量階層性の研究（丸、矢田貝）丸は先行研究において、５次元ゲージ・ヒッグス統一理論を大統一理論へ拡張し、ゼロ
質量フェルミオン場として、標準模型クォーク・レプトンのみを含む５次元バルクフェル

55

ミオンを構成した。しかし、この模型では一部の湯川相互作用が許されずフェルミオン質量が説明できないことが欠点であった。本研究では、クォーク・レプトンを４次元境界上に局在させ、５次元バルク場との相互作用で全ての湯川相互作用が生成できる模型を構築
し、トップクォーク以外のクォーク・レプトンの質量を説明し、かつ電弱対称性の破れを実現し、ヒッグス場の質量を説明できることを示した（論文4）。
4.

Gravastar形成とブラックホールの観測可能性（中尾）ブラックホールは、その外側に物理的影響を永遠に及ぼさない領域として定義される。
我々の宇宙にブラックホールが存在しうることを一般相対論は予言し、またブラックホールの存在がいくつかの観測によって強く示唆されている。それゆえ多くの論文にブラックホールの存在が観測的に確認可能であるかのような記述が見られる。この研究では、ブラックホール擬似天体（観測的にブラックホールと区別のつきにくい天体）の候補の一つである gravastar (gravitational vacuum condensation star)の形成過程を記述する有効モデルを考案し、ブラックホールの存在が観測的に確認不可能であることを具体的に示した。この研究は、柳哲文氏（名古屋大学）と原田知広氏（立教大学）と共同で進められた。

5. ブラックホール形成過程の観測可能性（高橋、吉野、中尾）
一般相対論は、大質量星等の重力崩壊によってブラックホールが我々の宇宙に形成されうることを予言する。一方、遠方の観測者にとってブラックホールが形成されるまでにかかる時間は無限に長く、ブラックホールが形成される瞬間を我々は観測することができな
いことも一般相対論は予言する。我々が観測できるのは重力崩壊を永遠に続ける物体なのである。それゆえに、単色放射あるいは黒体放射をしながら重力崩壊する球対称星がどのように観測されるかをray-tracing法によって詳しく調べた。多くの相対論研究者が「重力崩壊する星が放出する一つ一つの光子の受ける赤方偏移が時事刻々強くなり、観測装置の検出限界を超えるので、最終的にその星が観測できなくなる」と考えているが、この解析によって「赤方偏移を受けない光子は常に存在するが、単位時間あたりに放出される光子数が時事刻々減少していくことによって重力崩壊する星は検出不可能になる」ことが明らかにされた。
6. 非常に大きなスケールの宇宙の非一様性が宇宙背景放射の偏光に与える影響（根岸）
宇宙論の標準モデルでは巨視的にみると宇宙は等方一様であることを作業仮説として採用している。しかし、観測的に宇宙の一様性を確認することは難しく宇宙は非常に大きなスケールで見ると非一様である可能性がある。一様性を検証するためには多様な観測量を用いることが重要であるが、これまでの宇宙の非常に大きなスケールの非一様性についての研究では宇宙背景放射の偏光B-modeはほぼ用いられていなかった。その理由は非常に大きなスケールの非一様性の影響を考慮して宇宙背景放射の偏光を理論予言することが時空の対称性が低いために数学的に難しいからである。本研究では非常に大きなスケー
ルの非一様性の振幅が小さいと仮定し摂動的に扱うことで、非常に大きなスケールの非一様性の影響を考慮して重力波により作られる宇宙背景放射の偏光 B-modeの振る舞いを調べた。結果として、観測的に許される振幅の非常に大きなスケールの断熱的な非一様性が存在してもLitebirdなどの次世代宇宙背景放射観測実験で観測できないほど非一様性の影響は小さいことを明らかにした。この結果はLitebirdで大スケールの宇宙背景放射の偏光B-modeが観測された場合にはそれはインフレーション由来の偏光であることを強く示
唆することを意味する。
7. ブラックホールの高次元極限に関する研究（鈴木）ブラックホールの高次元極限に関する研究を行った。特に、位相の異なる高次元ブラックホール解の系列同士が解空間上特異な解を経て合流する様子を高次元極限を用いて研56究した。コンパクト化された時空における局所ブラックホール解とブラックストリング解については、実際にこれらが合流すること、予想されていた通り特異な解が局所的に錘状
自己相似構造を持つことなどを解析的に明らかにすることができた。また、より一般には、位相変化が起こる領域の物理はRicci flow方程式に支配されることがわかった。本研究はバルセロナ大学Roberto Emparan教授との共同研究であり、翌年7月にJHEP誌より出版された。

教育・研究業績
著書
該当無し

学術論文
1. N. Maru, N. Okada and S. Okada, “SU(2)L Doublet Vector Dark Matter from Gauge-Higgs
Unification”, Physical Review D98 (2018) no.7, 075021.
2. Y. Adachi and N. Maru, “Revisiting Electroweak Symmetry Breaking and the Higgs Boson Massin Gauge-Higgs Unification”, Physical Review D98 (2018) no.1, 015022.
3. Y. Adachi and N. Maru. “Triple Higgs Boson Coupling in Gauge-Higgs Unification”,
arXiv: 1809.02748 [hep-ph].
4. N. Maru and Y. Yatagai, “Fermion Mass Hiearchy in Grand Gauge-Higgs Unification”,
arXiv: 1903.08359 [hep-ph] (To appear in Progress of Theoretical and Experimental Physics).
5. K. Nakao, C-M Yoo, T. Harada: “Gravastar formation: What can be the evidence of a black
hole?”, Physical Review D99, 044027 (2019).
6. H. Negishi: “The gravitational wave background induced by nonlinear interactions between
isotropic inhomogeneities and anisotropic inhomogeneous density perturbations,”
arXiv:1807.04902 [astro-ph.CO]

国際会議会議録
1. 高橋一麻：“Imaging of gravitational collapsing star by numerical simulation”, International
workshop JGRG28（http://www-tap.scphys.kyoto-u.ac.jp/jgrg/pastjgrg.html）

国際会議・研究会講演
1. 丸信人: “Dark Matter in Gauge-Higgs Unification”，International Symposium in Honor ofProfessor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics，2018年12月12日-13日，
Media Center, Osaka City University, Osaka
2. 丸信人: “Dark Matter in Gauge-Higgs Unification”，SHU-OCU Symposium on Physics，
2018年12月27日, Media Center, Osaka City University, Osaka
3. 中尾憲一: “On gravastar formation: What can be the evidence of a black hole?”, YITP molecule
type workshop “Dynamic instrong gravit universe”, 2018 年 9 月 6 日, 京都大学基礎物理学研
究所
4. 高橋一麻：“Imaging of gravitational collapsing star by numerical simulation”, International
workshop JGRG28, 2018 年 11 月 6 日, 立教大学池袋キャンパス
5. 鈴木良拓: “Large D limit of Conifold horizons”, HEP-Seminar, ICCUB, University of Barcelona57国内学会・研究会講演
1. 丸 信 人 , 岡 田 宣 親 , 岡 田 里 見 : “SU(2)L Doublet Vector Dark Matter from Gauge-Higgs
Unification”, 日本物理学会秋季大会, 2018年9月14日-17日, 信州大学 松本キャンパス
2. 丸信人, 矢田貝祥貴: “大統一ゲージヒッグス統一模型におけるフェルミオンの質量階層性”，日本物理学会 第74回年次大会，2019年3月14日-17日，九州大学 伊都キャンパス
3. 丸信人：“Dark Matter in Gauge-Higgs Unification（招待講演）”，the 22nd regular meeting of the
New Higgs Working Group (NHWG22)，2018年5月11日-12日, 南部ホール，大阪大学 豊中キャンパス
4. 丸信人：“ヒッグスの物理（招待講演）”，ILC summer camp，2018年9月9日-12日,
国民宿舎 大城，山口県
5. 廣瀬拓哉：“6次元magnetic fluxの有効場理論と量子補正 (review)”，第64回原子核三者夏の学校，2018年8月6日-11日，白子温泉 ホテル ニュー・カネイ，千葉県
6. 中尾憲一：“Gravastar formation: What can be the evidence of a black hole?”, 第 12 回ブラックホール磁気圏研究会, 2019 年 3 月 3 日, 愛知教育大学
7. 中尾憲一：“Gravastar formation: What can be the evidence of a black hole?”（招待講演）,
2nd Workshop on Mathematics and Physics in General Relativity, 2019 年 3 月 24 日, 摂南大学
8. 根岸宏行：「宇宙背景放射の偏光を用いた宇宙の非一様性への制限」,
日本物理学会 第 74 回年次大会, 2019 年 3 月 14 日, 九州大学 伊都キャンパス

その他【一般講演】
1. 丸信人：「物理学からの異次元ワールドへのお誘い」, 夢ナビライブ, 2018年6月16日,
インテックス大阪にて講演
2. 丸信人：「素粒子の世界」, 大阪府高齢者大学校, 2018年6月25日, 7月2日, 7月9日,
大阪市教育会館にて３週連続講義
3. 丸信人：「異次元ワールドへのお誘い」, オープンキャンパス体験入学講義,
2018年8月4日-5日, 大阪市立大学にて講演
4. 丸信人：「異次元ワールドへのお誘い」, 出張講義, 2018年9月3日,
西宮市立西宮高等学校にて講演
5. 丸信人：「素粒子物理が解き明かす質量の起源」, 朝日新聞「プロフェッサービジット」
企画出張講義，2018年10月18日，熊本学園大学付属高等学校にて出張講義
6. 丸信人：「異次元ワールドへのお誘い」, 模擬講義, 2018年11月8日，大阪市立大学にて和歌山信愛高等学校高校生来学のもと講演.
7. 丸信人:「異次元ワールドへのお誘い」，模擬講義，2018年11月16日，三田学園高等学校【セミナー講演】
8. 丸信人:「Basics of Gauge-Higgs Unification」「Dark Matter in Gauge-Higgs Unification」，素粒子論研究室セミナー，2018年10月26日，北海道大学
9. 丸信人:「Dark Matter in Gauge-Higgs Unification」，素粒子論研究室セミナー，2018年11月6日，大阪大学
10. 丸信人:「D項による超対称性のダイナミカルな破れ」，素粒子論研究室セミナー，2018
年11月9日，奈良女子大学【ポスター発表】
11. 矢田貝祥貴: “Fermion Mass Hierarchy in Grand Gauge-Higgs Unification”，International
Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics，

58

2018年12月12-13日，Media Center, Osaka City University
12. 矢田貝祥貴: “Fermion Mass Hierarchy in Grand Gauge-Higgs Unification”，HPNP2019-The 4thInternational Workshop on “Higgs as a Probe of New Physics 2019 ”，2019年2月18日-22日，大阪大学
13. 大川瞭: “Scalar and tensor fluctuations during inflation (review)”，第64回原子核三者夏の学校，
2018年8月6日-11日，白子温泉 ホテル ニュー・カネイ，千葉県
14. 矢田貝祥貴: “Electroweak symmetry breaking and fermion masses from extra dimensions(review)”，第64回原子核三者夏の学校，2018年8月6日-11日，白子温泉 ホテル ニュー・
カネイ，千葉県

学位論文
修士論文
1. 大野木嵩智:「ゲージ・ヒッグス統一模型におけるH→Zγの崩壊」
2. 芦田尊：「円筒対称時空における C-energy Flux の解析」

博士論文
該当無し

研究助成金取得状況
1.

丸信人: 日本学術振興会科学研究費補助金・基盤(C)「ゲージ・ヒッグス統一模型からの宇宙物理への予言とプランクスケール物理への拡張」直接経費50万円, 間接経費15万円

海外出張および海外研修
該当なし

外国人研究者招聘
1.

Jose M.M. Senovilla〔バスク大学（Universidad del País Vasco），スペイン〕：“What is the surface of a black hole?”，宇宙物理（重力）・素粒子論コロキウム，
2018 年 11 月 2 日，大阪市立大学

その他
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.

中尾憲一：日本物理学会 宇宙線・宇宙物理領域副代表
中尾憲一：日本物理学会代議員
中尾憲一：日本物理学会 宇宙線・宇宙物理領域 若手奨励賞選考委員長
中尾憲一：日本物理学会 宇宙線・宇宙物理領域 学生優秀発表賞審査員
中尾憲一：日本物理学会 ジュニアセッション審査員
中尾憲一：論文 5 が Physical Review D Highlight に選出
丸信人：素粒子論グループ 素粒子メダル奨励賞選考委員

59

数理物理研究室
糸山 浩司 (教授)吉岡 礼治 (研究員)
石橋 啓一 (M2)矢野 勝也 (M2)古賀 勇一 (B4)森山 翔文 (准教授)大田 武志 (特任准教授)
杉本 裕司（研究員） 清重 一輝 (D1)中島 爽太 (M2)古川 友寛 (M2)大倉 靖央 (B4)
神林 聡 (B4)

研究概要
1. Nf = 2 SU(2) 超対称ゲージ理論と関連する離散パンルヴェ方程式とその二重スケーリング
極限 (糸山浩司、大田武志、矢野勝也)
ある種の超対称ゲージ理論は、行列模型と密接な関係をもつことが知られている。われわれ
は、Nf = 2 SU(2) 超対称ゲージ理論が、あるユニタリー行列模型と対応することを明らかにした。それは、Gross-Witten-Wadia ユニタリー行列模型の一つの一般化で、ポテンシャルに対数項を加えた模型である。行列模型のスペクトル曲線と、ゲージ理論の Seiberg-Witten曲線が同型であることを示した。行列模型の分配関数がパンルヴェ III 方程式のタウ関数であることを直交多項式の方法を用いて明らかにした。また、行列模型の二重スケーリング
極限が、ゲージ理論側では、Argyres-Douglas 超共形固定点への極限に対応することを見出した。

2. Rainbow tensor 模型の更なる進展（糸山浩司、吉岡礼治）
前年度の進展を踏まえ、糸山・吉岡は measure の有限変換から生じる一般化された cut operation を導入し、Aristotelian model の level 5, 及び level 6 のすべての operator を生成することに成功した。

3. tensor

模型における一般化された character の導入（糸山浩司）

糸山は Mironov, Morozov と協力して tensor 模型における Schur character の拡張を提案
し、その state cnounting における有用性について考察した。通常の Young daiagram のみが登場する拡張のみならず、Young tableau も登場する定義も提案した。

4. nonsupersymmetric string model における enhanced gauge symmetry と cosmological constant の問題（糸山浩司、中島爽太）
10d heterotic string model 群で唯一 susy を持たず、tachyon free である S0(16)xS0(16)model の 9d への Z2 twist 及び 1 個の Wilson line を伴うコンパクト化に於いて、gauge 対称性の拡大と宇宙項の指数 suppression が同時に起きる場合を one-loop level までで見つけた。
また ZN orbifold 上での超弦振幅」を考察し、非繰り込み定理を示した。
5. 量子曲線による超対称チャーン–サイモンズ行列模型の解析（久保尚敬、森山翔文、野坂朋生）
M2 ブレーンは超対称チャーン–サイモンズ理論により記述される。最大の超対称性を保つ超対称チャーン–サイモンズ理論が ABJM 理論であり、これには様々な拡張がある。著者らの先行研究によれば、IIB 弦理論の描像における NS5 ブレーンや (1, k)5 ブレーンをそれぞれ2 枚に増やした (2,2) 模型は D5 = so(10) デルペッツォ曲線により記述され、ランク変形がない場合に so(10) 表現が部分代数 so(8) に破れることが知られていた。本研究では、曲線の量子化の概念を導入することにより、この対称性の破れを説明した。つまり、D5 デルペッ
ツォ量子曲線における D5 作用を同定し、さらに D5 曲線における (2,2) 模型を同定することにより、破れずに残る対称性について解析を行い、部分代数を再現した。
6. ABJM 行列模型の二点関数と二次元戸田格子可積分階層（古川友寛、森山翔文）
ABJM 理論において超対称性を半分保つウィルソンループ演算子を挿入した一点関数は、超対称理論の局所化公式により計算され、無限次元経路積分が有限次元の ABJM 行列模型の60

一点関数に帰着される。また、先行研究により、この行列模型はいわゆるシフトジャンベリ性を持ち、それを用いてジャンベリ性やヤコビ–トゥルディ性など可積分性を示唆する性質を導出できることや、この一点関数のシフトジャンベリ性の “完全化” により自然に二点関数に到達することが知られていた。本研究で、この二点関数のシフトジャンベリ性は、ソリトン方程式に現れる可積分性と等価な性質であることを示した。より詳しく内容を述べると、次のようになる。佐藤幹夫ら京都学派の結果によれば、ソリトン方程式が可積分性を持
つのは無限個の方程式と整合性を持つためであり、この整合性は行列式のプリュッカー関係
式、さらに、自由フェルミオンの演算子積展開を用いて定式化できる。本研究では、ABJM
行列模型の二点関数のシフトジャンベリ性と、二次元戸田格子可積分階層の自由フェルミオン形式が、完全に等価であることを示した。

7. 周期的鎖状幾何の量子ミラー曲線（木村太郎、杉本裕司）
ミラー曲線は非コンパクトなカラビ–ヤウ多様体上の B 模型位相的弦理論を議論する上で有用である。これを求める方法の一つとして、量子ミラー曲線は 1 枚のブレーンが挿さった位
相的弦理論の分配関数に作用すると 0 を与える、という事実が利用できる。本研究では上述の事実を用いて、N 個の P1 が鎖状に繋がった幾何、およびそれをコンパクト化した幾何の2 種類を考え、それらの量子ミラー曲線が (楕円) 超幾何微分演算子によって特徴付けられることを示した。さらに無限に伸びる鎖状幾何と周期的鎖状幾何の間に関係があることを指摘し、それが 5 次元ゲージ理論と 6 次元ゲージ理論の関係を意味することを議論した。

8. 滑らかなクエンチにおける対数ネガティビティと相互情報量の動力学（藤田浩之、西田充宏、
野崎雅弘、杉本裕司）
平衡状態にない量子状態がどのように熱化するかを理解するための量子系として、1+1 次
元における滑らかなクエンチを持つ時間依存するハミルトニアンを考え、熱化を測る物理量
として対数ネガティビティと相互情報量の時間発展を数値的に、様々なプロトコルで計算した。クエンチは時間経過に従って緩やかに減少し、十分時間が経った時に質量が 0 になるものと、ある時刻で質量が 0 になるが、十分時間が経過すると、初期状態の質量と同じになる
ようなものを調べた。その結果、十分時間が経過した時に質量項がゼロであれば系は平衡状態に達し、一方で有限であれば、どちらの物理量も振動することを示し、さらにそれらの結果が準粒子描像で説明できることを議論した。

9. 位相的弦幾何（佐藤松夫、杉本裕司）
超弦理論の摂動論的振幅は弦幾何理論に対してある極限をとることで導出できる。これより、
弦幾何理論は超弦理論の非摂動的定式の候補として挙げられる。ただし、その数学的構造は極めて複雑であり、弦幾何理論から直接非摂動効果を取り出す計算は未だに実行されていない。そこで本研究では、非摂動効果を比較的簡単に取り出すための第一段階として、位相部分に制限した弦幾何理論、位相的弦幾何理論を定義し、それに対して同様の極限をとること
で位相的弦理論の摂動論的振幅を導出できることを示した。さらに、位相的弦幾何理論の作用が完全 Q 形式で書けることを示し、局所化の手法が適用可能であることを議論した。

10. 4 次元 N = 2 超共形場理論における 演算子積展開の選択則 (清重一輝、西中崇博)
4 次元 N = 2 超共形場理論にはラグランジアンによって記述が知られていないものが多数存在しており、そのような場の理論ではファインマン・ダイアグラム等の摂動論的解析は不可能である。そこで我々は演算子積展開による解析において一般的な状況でどの程度の拘束が可能であるかを議論した。我々は 4 次元 N = 2 超共形代数の性質のみを用いて、BPS-multiplet
に関する 3 点関数を BPS 条件のもと計算して解析的に解くことができた。我々の解析ではいくつかの 3 点関数には自明な解だけしか存在しないことを見出すことができた。3 点関数が自明な解をもつような演算子積において展開には決して現れないため、これらの選択規則
として読み替えることが可能である。更に得られた結果をより抽象的なルールが存在していると予想し、現在知らている選択則をすべて再現することができた。

61

教育・研究業績
学術論文
1. Hiroshi Itoyama, Takeshi Oota, Katsuya Yano, “Discrete Painleve system and the double
scaling limit of the matrix model for irregular conformal block and gauge theory”, Physics
Letters B789 (2019) 605-609, [arXiv:1805.05057 [hep-th]].
2. H. Itoyama, A. Mironov, A. Morozov, From Kronecker to tableau pseudo-characters in
tensor models , Phys. Lett. B 788 (2019) 76-81, [arXiv:1808.07783 [hep-th]].
3. H. Itoyama, T. Oota, Katsuya Yano, Discrete Painleve system associated with Unitarymatrix model , Journal of Physics: Conference Series 1194 (2019) no.1, 012050 The
32nd International Colloquium on Group Theoretical Methods in Physics (Group32)
4. Taro Kimura, Yuji Sugimoto, “Quantum mirror curve of periodic chain geometry”, Journalof High Energy Physics 1904 (2019) 147, [arXiv:1810.01885 [hep-th]].
5. Naotaka Kubo, Sanefumi Moriyama, Tomoki Nosaka, “Symmetry Breaking in Quantum
Curves and Super Chern-Simons Matrix Models”, Journal of High Energy Physics 1901
(2019) 210, [arXiv:1811.06048 [hep-th]].
6. H. Itoyama, T. Oota, Katsuya Yano, “Discrete Painleve system for the partition function of
Nf = 2 SU(2) supersymmetric gauge theory and its double scaling limit”, arXiv:1812.00811[hep-th], Journal of Physics A on line https://doi.org/10.1088/1751-8121/ab3f4f and to
appear in journal.
7. Hiroyuki Fujita, Mitsuhiro Nishida, Masahiro Nozaki, Yuji Sugimoto, “Dynamics of logarithmic negativity and mutual information in smooth quenches”, arXiv:1812.06258 [hepth].
8. Kazuki Kiyoshige, Takahiro Nishinaka, “OPE Selection Rules for Schur Multiplets in 4D
N = 2 Superconformal Field Theories”, Journal of High Energy Physics 1904 (2019) 060,
[arXiv:1812.06394 [hep-th]].
9. Tomohiro Furukawa, Sanefumi Moriyama, “ABJM Matrix Model and 2D Toda Lattice
Hierarchy”, Journal of High Energy Physics 1903 (2019) 197, [arXiv:1901.00541 [hep-th]].
10. Matsuo Sato, Yuji Sugimoto, “Topological String Geometry”, arXiv:1903.05775 [hep-th].
11. Hiroshi Itoyama, Reiji Yoshioka, “Generalized cut operation associated with higher ordervariation in tensor models”, Nuclear Physics B945 (2019) 114681, [arxiv:1903.10276 [hepth]].

学会誌解説
1. 森山翔文, 野坂朋生, “M 理論の地図が見えてきた”, 日本物理学会誌「最近の研究から」, 2019年 74 巻 1 号 p.34-39.

集中講義
1. 大田武志, “Matrix model, CFT and SUSY gauge theory”, 高エネルギー加速器機構, 2018/11/192018/11/21.
2. 大田武志, “Matrix model, supersymmetric gauge theory and Painleve equation”, NITEP
Lecture Series, 2019/01/17, 2019/01/19.

62

国際会議講演
1. H. Itoyama, Discrete Painlev system and the double scaling limit of the matrix model
for irregular conformal block and gauge theory , The 32nd International Colloquium onGroup Theoretical Methods in Physics (Group32), Czech Technical University in Prague,
Czech, 9 July 2018
2. H. Itoyama, Discrete Painlev system and the double scaling limit of the matrix model
for irregular conformal block and gauge theory , 20 August, 2018, talk delivered at theworkshop on duality, integrability and matrix model, Lebedev Physics Institute, Moscow,
invited talk.
3. H. Itoyama, More on Cut and Join Operator Ring in Rainbow (Aristotelian) Tensor
Model , Moscow, 25 August, 2018, talk delivered at the workshop on duality, integrability
and matrix model, Institute of Information and Transmission Problem(IITP), Moscow,
invited talk
4. H. Itoyama, Discrete Painleve system and the double scaling limit of the matrix model for
irregular conformal block and gauge theory , Non-Perturbative Methods in Field Theory
and String Theory - in memory of Alexei Zamolodchikov -, Kyoto University, 22 October,
2018, invited talk
5. H. Itoyama, Cut and Join Operator Ring in Tensor Model , OIST Mini Symposium”Holographic Tensors” OIST, 2 November, 2018, invited talk
6. H. Itoyama, Discrete Painleve system and the double scaling limit of the matrix model
for irregular conformal block and gauge theory , East Asia Joint Symposium on Fields
and Strings 2018, KIAS, 5 November, 2018, invited talk

学会・研究会講演
1. Sanefumi Moriyama, “One-Point Functions in ABJM Matrix Model”, String Math 2018,
東北大学, 2018/06/18-2018/06/22, ポスター発表.
2. Yuji Sugimoto, “Refined geometric transition and qq-characters”, String Math 2018, 東北大学, 2018/06/18-2018/06/22, ポスター発表.
3. Yuji Sugimoto, “Refined geometric transition and qq-characters”, Strings 2018, 沖縄科学技術大学院大学, 2018/06/25-2018/06/29, ポスター発表.
4. 糸山浩司,
学研究科

場の量子論のすすめ, 2018 年 7 月 14 日,

セミナー、文京区本郷東京大学工5. H. Itoyama, Discrete Painlev system and the double scaling limit of the matrix model
for irregular conformal block and gauge theory , 2018 年 7 月 25 日 セミナー、京都大学
素粒子論研究室
6. 石橋啓一 “N = 4 SYM 理論における 1/2 BPS Wilson loop の真空期待値”, 原子核三者若手
夏の学校, 千葉, ポスター発表.
7. Yuji Sugimoto, “Refined geometric transition and qq-characters”, Recent Developments in
Gauge Theory and String Theory, 慶應義塾大学, 2018/09/18-2018/09/20.
8. ◯糸山浩司, 大田武志, 矢野勝也, “Discrete Painlevé system and the double scaling limit of
the matrix model for irregular conformal block and gauge theory, I”, 日本物理学会, 2018年秋季大会, 信州大学, 2018/09/14-2018/09/17.
9. 糸山浩司, 大田武志, ◯矢野勝也, “Discrete Painlevé system and the double scaling limit of
the matrix model for irregular conformal block and gauge theory, II”, 日本物理学会, 2018年秋季大会, 信州大学, 2018/09/14-2018/09/17.

63

10. 佐藤松夫, ◯杉本裕司, “位相的弦幾何”, 日本物理学会, 2018 年秋季大会, 信州大学, 2018/09/142018/09/17.
11. 石橋啓一,「4 次元 N = 4 Super Yang-Mills 理論における Wilson loop」, アインシュタイン
セミナー 2018 年度, KKR ホテルびわこ, 2018/09/26-2018/09/28.
12. 古川友寛,「ソリトン方程式の基礎」, アインシュタインセミナー 2018 年度, KKR ホテルび
わこ, 2018/09/26-2018/09/28.
13. 清重一輝,「理論の空間入門」, アインシュタインセミナー 2018 年度, KKR ホテルびわこ,
2018/09/26-2018/09/28.
14. Sanefumi Moriyama, “Integrability in Super Chern-Simons Matrix Model”, SIDE13 (Symmetries and Integrability of Diﬀerence Equations), 福岡, 2018/11/11-2018/11/17.
15. Yuji Sugimoto, “Topological Strings and Condensed Matter Physics”, Symposium on
String Theory, Field Theory, and Cosmology, Huzhou, 2018/11/23-2018/11/25.
16. Takeshi Oota, “Matrix model, supersymmetric gauge theory, and discrete Painleve equation”, International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of
his Nobel Prize in Physics, 大阪市立大学, 2018/12/12-2018/12/13.
17. Kazuki Kiyoshige, “Selection Rules for Schur Multiplets in 4D N=2 Superconformal Field
Theories”, International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversaryof his Nobel Prize in Physics, 大阪市立大学, 2018/12/12-2018/12/13, ポスター発表.
18. Katsuya Yano, “Multicritical behavior of Unitary matrix model with logarithmic potential”, International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of
his Nobel Prize in Physics, 大阪市立大学, 2018/12/12-2018/12/13, ポスター発表.
19. Tomohiro Furukawa, “ABJM Matrix Model and 2D Toda Lattice Hierarchy”, International
Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize inPhysics, 大阪市立大学, 2018/12/12-2018/12/13, ポスター発表.
20. Sanefumi Moriyama, “Symmetry Breaking in Quantum Curves & Super Chern-Simons
Matrix Models”, International Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th
Anniversary of his Nobel Prize in Physics, One-day workshop for QFT and string theory,
大阪市立大学, 2018/12/14.
21. 糸山浩司, 南部陽一郎先生の物理とその魅力2018 年 12 月 16 日 南部陽一郎先生ノー
ベル物理学賞受賞 10 周年記念シンポジウム 市民セミナー 2018、大阪市立大学杉本キャン
パス、田中記念館大ホール
22. Yuji Sugimoto, “Open topological string on (periodic) chain geometry”, String Theory and
Quantum Field Theory, Fudan University, 2019/03/11 - 2019/03/15.
23. 糸山浩司, ◯大田武志, 矢野勝也, “Discrete Painlevé system and double scaling limit of thematrix model for irregular conformal block and gauge theory, III”, 日本物理学会, 第 74 回
年次大会, 九州大学, 2019/03/14-2019/03/17.
24. ◯古川友寛, 森山翔文, “ABJM 行列模型と 2D 戸田格子階層”, 日本物理学会, 第 74 回年次大会, 九州大学, 2019/03/14-2019/03/17.
25. 糸山浩司, 大田武志, ◯矢野勝也, “Log 項をもつユニタリ型行列模型”, 日本物理学会, 第 74回年次大会, 九州大学, 2019/03/14-2019/03/17.
26. 糸山浩司, ◯中島爽太, “Z3 オービフォールドの諸側面”, 改題 Twisted compactification
with Wilson line of non-supersymmetric heterotic string” 日本物理学会, 第 74 回年次大会,
九州大学, 2019/03/14-2019/03/17.
27. ◯清重一輝, 西中崇博, “4 次元 N=2 超共形場理論における選択規則”, 日本物理学会, 第 74回年次大会, 九州大学, 2019/03/14-2019/03/17.

6428. 佐藤松夫, ◯杉本裕司, “位相的弦幾何理論の局所化に向けての解析”, 日本物理学会, 第 74 回
年次大会, 九州大学, 2019/03/14-2019/03/17.
29. 大田武志, “Matrix models, supersymmetric gauge theories, and Painleve equations”, The
2nd Workshop on ”Mathematics and Physics in General Relativity”, 2019/03/23-2019/03/24.

修士論文
1. 石橋 啓一：「4 次元 N = 4 U(N) 超対称 Yang-Mills 理論における 1/2 BPS 円形 Wilson
loop の真空期待値の 1/N 展開」
2. 中島 爽太：「ZN orbifold 上での超弦振幅」
3. 古川 友寛：
「ABJM 行列模型と 2 次元戸田格子階層」
4. 矢野 勝也：「行列模型による超対称ゲージ理論の解析」

研究助成金取得状況
1. 清重一輝：学術振興会・特別研究員奨励費「4 次元超共形場理論に於ける物理的制限に関する研究」80 万円
2. 杉本裕司：学術振興会・特別研究員奨励費「位相的弦理論の非摂動的定式化の研究」80 万円

海外出張および海外研修
1. 糸山浩司: July, 8-14, 2018 Czech Technical University in Prague, Czech 国際会議出席・講演
2. 糸山浩司: August, 19-27, 2018, Lebedev Physics Institute and Institute of Information andTransmission Problem(IITP), Moscow, 国際研究集会出席・講演
3. 糸山浩司: November, 4-10, 2018, KIAS, Seoul, Korea, 国際会議出席・講演
4. 杉本裕司：中国科学技術大学、2018 年 10 月 8 日〜2019 年 3 月 16 日、研究遂行のための長期滞在

その他
1. 糸山 浩司：2018 年 12 月 12-14 日 南部陽一郎先生ノーベル物理学賞受賞 10 周年記念シン
ポジウム及び市民セミナー 2018 年 12 月 16 日 を責任者として実施した。
2. 糸山 浩司：学振２国間交流事業（ロシアとの共同研究：代表 粟田英資）メンバー
3. 糸山 浩司: Workshop ”Topological Field Theories, String theory and Matrix Models
2018” August 20- August 25, Moscow, Russia を共催

65

宇宙物理研究室
石原 秀樹
浜端 広充

教授
准教授

吉野 裕高
(数学研究所研究員)
森澤 理之(数学研究所研究員)
松野 研(数学研究所研究員)

小川 達也(D4)松野 皐 (D1)
安積 伸幸(M2)中井 悠二(M2)遠藤 洋太(M1)

研究概要＜重力理論分野＞
宇宙物理（重力）グループは，アインシュタインの一般相対性理論を基礎として， 宇宙における強い重力場を伴う物理的現象を重点的に研究している．素粒子論研究室とはコロキウムを共同開催し，研究・教育も協力して行っている． 2018年度に行った研究を以下にまとめる．
余等質１の紐の可積分性（古池（慶応大），森澤，石原）
Nambu-Gotoの方程式で記述される相対論的な紐の運動は，幾何学的な対称性を課すことによって，運動方程式を対称性の方向に射影した空間上の測地線方程式で記述される．この紐を余等質１の紐という．
本年度は，与えられた時空において，可能なすべての余等質１の紐の方程式が可積分であるような時空を余等質１可積分（C1 integrable）と名付け，時空の対称性の詳細な性質として考えられることを提案した．

1.

2．２つのスカラー場とゲージ場の系の非トポロジーソリトン（小川，石原）
2つの複素スカラー場とゲージ場からなる局所的なU(1)対称性が自発的に破れているようなモデルでの非トポロジーソリトン解（Qボール）の数値計算による解析を行った．系は対称性の仮定により有限自由度の力学系に帰着し，その停留点を結ぶバウンス解が大きな質量をもつQボールを記述することが明らかになった．
3. AdS 時空でのRiemann沈めこみ（松野皐，石原）
AdS時空には幾何学的対称性を表す多くのKillingベクトルが存在する．Killingベクトルを１つ選ぶと，それに沿ったRiemann沈めこみ（射影）が定義でき，自然な計量（射影計量）が導入できる．
これは，AdS時空をファイバーバンドルとみなす多様性の研究で，底空間に特異点が現れる場合と現れない場合がある．特異点が現れる場合のいくつかは底空間がブラックホール構
造をもつことがわかった．また，いくつかのパラメーターで特徴づけられる正則なファイバ
ーバンドルの族が得られることがわかった．
4.ブラックホール連星系の周りの光の束縛軌道（安積，石原）最大に帯電したブラックホールにはEinstein-Maxwell方程式の厳密解として，静的な多体系を表すものが存在する．その解の内，2体系を回転座標系に乗せることによって近似的に連星ブラックホールを構成し，その時空での光の束縛軌道を解析した．ブラックホール連星の回転角速度と2体間距離の変化によって，光の軌道は摂動を受け，パラメーター共鳴現象が現れることを明らかにした．

66

5. Kerr ブラックホールの周りの光の束縛軌道（伊形，石原）
Kerr ブラックホールの周りのヌル測地線を Carter定数を用いて解析すると，束縛軌道はホライズンタイプとカージオイドタイプの2タイプに分類することができることがわかる．
ホライズンタイプのヌル測地線の軌道半径はKerrブラックホールの回転パラメータ―を最大にする極限で，ホライズン半径に漸近し，ブラックホールを周回する光線束の断面積が増大しないことがわかった．これは，ブラックホールを周回する光線による像が暗くならないことを意味し，観測可能性を示唆する．これらの軌道を観測できる方向などを解析中である．
6. プラズマ中の円筒対称／球対称非線形密度波による荷電粒子の加速（松野研（大阪物療大），高橋（愛知教育大），政田（愛知教育大），石原）
プラズマ中の非線形平面密度波は逓減摂動報によってKdV方程式で記述されることが知られている．これを円筒対称，および球対称系に拡張すると，時間とともに，半径が縮み，密度振幅が半径の逆べき則に従って大きくなるような波動解が存在する．この円筒対称／球対称ソリトンが元のプラズマ流体の方程式系でも現れるかを数値シミュレーションによって確かめた．
また，放射状の磁場の中でのプラズマ密度波による荷電粒子の加速機構を提案した．

＜流体・プラズマ物理分野＞
1. HALL MHD方程式に対する非線形磁気流体波の厳密解（浜端）
昨年度に引き続き HALL 効果を考慮した MHD 方程式に対する非線形磁気流体波の厳密解について，より一般的な2次元，並進対称性，軸対称性および helical 対称性を持つ解を見いだすべく検討中である．
更に，これまでとは異なったアプローチを試み，Hall MHD 方程式に対する非線形磁気流体波を記述する単純化された方程式系が導出された．得られた方程式から，平面波解（1次元解）から3次元解，2次元解，円筒座標での並進対称解が得られた．
また，自己重力のある非理想の成層流体中で，温度勾配によりつくられる対流力が存在する場合の HALL MHD 方程式の非線形磁気流体波の厳密解についても研究中である．2次元および並進対称性を持つ解ついては，より一般的な厳密解を見いだすべく研究中である．軸対称性を持つ厳密解は特別な場合であるが見出されており，helical 対称性を持つ解についても見出すべく検討中である．
2. Firehose不安定の非線形発展（浜端）
昨年度に引き続き，空間非一様性の効果を取り入れた firehose 不安定の非線形発展の数
値解析を CGL 方程式に基づいて行いつつある．更に，波動・粒子共鳴相互作用等の運動論的効果を考慮するため，Vlasov 方程式に基づく理論解析および数値シミュレーションについても検討中である．
3. 大 振 幅 Alfvén波 の パ ラ メ ト リ ッ ク 不 安 定 （ 浜 端 ， 中 井 ）大振幅Alfvén波はMHD方程式の厳密解の一つで，そのパラメトリック不安定について数多くの研究がなされている．大振幅Alfvén波の解はMHDの極限ではVlasov方程式の厳密解でもあるが，そのパラメトリック不安定についてはほとんど研究がない．
昨年度に引き続き，大振幅のAlfvén波のパラメトリック不安定への運動論的効果についての研究をVlasov方程式に基づいた線形解析によって行っている．解析の結果，従来から知られていた崩壊型不安定性の他，運動論的効果により新たに変調型不安定性と呼ぶべき不安定性が存在し得ることを明らかにした．崩壊型不安定性については、運動論的効果により不安定となる波数領域が広がり，その成長率は電子の温度が相対的に大きい方が大き67

くなることを明らかにした．また，変調型不安定性については，崩壊型不安定とは異なり、
プラズマβが大きくなるに従いその最大成長率は大きくなり，また不安定となる波数領域が広がることを明らかにしている．更に，太陽風のようなβが1程度のプラズマでは変調型不安定性が卓越することを明らかにしている．本研究におけるこれらの結果は，今後太陽中のAlfvén波の理解を深めていく上で重要な結果をもたらしたものであると考えられる．
非線形発展に関する数値シミュレーションについても検討中で，コード開発に取り掛かっており，太陽風プラズマの加熱等への応用についても検討中である．

教育・研究業績
学術論文
1. “Cohomogeneity-one-string integrability of spacetimes”
Yoshiyuki Morisawa, Soichi Hasegawa, Tatsuhiko Koike, Hideki Ishihara
Class.Quant.Grav. 36 (2019) no.15, 155009
2. “Homogeneous Balls in a Spontaneously Broken U(1) Gauge Theory”
Hideki Ishihara, Tatsuya Ogawa,Phys.Rev. D99 (2019) no.5, 056019
3. “Charge Screened Nontopological Solitons in a Spontaneously Broken U(1) Gauge Theory”
Hideki Ishihara, Tatsuya Ogawa
PTEP 2019 (2019) no.2, 021B01
4. “Particle acceleration by ion-acoustic solitons in plasma”
Hideki Ishihara, Ken Matsuno, Masaaki Takahashi, Syuto Teramae.
Phys.Rev. D98 (2018) no.12, 123010
5. “Rigidly Rotating String Sticking in a Kerr Black Hole”
Takahisa Igata, Hideki Ishihara, Masataka Tsuchiya, Chul-Moon Yoo
Phys.Rev. D98 (2018) no.6, 064021
国際会議発表1. Hideki Ishihara, T.Igata, M.Tsuchiya, and C.M.Yoo“Rigidly Rotating Strings in a Kerr Black Hole”
The 15th Marcel Grossman meeting on General Relativity, Rome July.1-7 2018
2. Tatsuya Ogawa, and Hideki Ishihara“Charge screened non-topological solitons”
The 15th Marcel Grossman meeting on General Relativity, Rome July.1-7 2018
3. S.Matsuno, and H. Ishihara“Black holes submmerged in AdS”
The 15th Marcel Grossman meeting on General Relativity, Rome July.1-7 2018
4. Tatsuya Ogawa, Hideki Ishihara“Charge Screened Boson Stars”
The 28th JGRG Workshop, 11/5-9 2018, Rikkyo University
5. Hideki Ishihara, Matsuno, Takahashi“Particle acceleration by ion-acoustic solitons in plasma”
The 28th JGRG Workshop, 11/5-9 2018, Rikkyo University
6. Takahisa Igata“Bright edge of a near extremal Kerr black hole shadow”
The 28th JGRG Workshop, 11/5-9 2018, Rikkyo University

68

学会・研究会講演1. 松野研(大阪物療大), 石原秀樹, 高橋真聡(愛知教育大)“プラズマ中の密度波ソリトンによる荷電粒子加速”日本物理学会秋季大会 (信州大学 2018年9月14日〜17日)
2. 小川達也, 石原秀樹
“Charge Screened Boson Stars”
日本物理学会秋季大会 (信州大学 2018年9月14日〜17日)
3. 松野皐, 石原秀樹
“時空の境界条件と大域的キリングベクトル場”
日本物理学会第74回年次大会(九州大学伊都キャンパス2019年3月14日〜17日）
4. 森澤理之，古池達彦，石原秀樹“準最大対称時空中の余等質1ストリングの可積分性について”
第20回特異点研究会 （九州大学西新プラザ 2019年 1月12日～14日)
5．安積伸幸，石原秀樹“連星ブラックホールを表す時空中の光の軌道の解析”
ブラックホール磁気圏研究会2019 （愛知教育大学 2019年3月2日〜4日）
6．石原秀樹，松野研，政田洋平，高橋真聡“ソリトンによる粒子加速”
ブラックホール磁気圏研究会2019 （愛知教育大学 2019年3月2日〜4日）
その他
石原秀樹
高津高校 「体験型進路学習 ポスターセッション」講評（11 月 15 日)

学位論文
修士論文
1. 安積 伸幸
連星ブラックホールを表す時空中の光の軌道の解析(Analysis of Photon Orbits in a Spacetime Describing a Binary Black Hole)
2. 中井 悠二
大振幅Alfvén波のパラメトリック不安定性の運動論(Kinetic theory of the parametric instability of large-amplitude Alfvén waves)

研究助成金取得状況
石原秀樹 科研費基盤研究 C（代表）「最大回転ブラックホールのホライズン近傍における対称性と物理現象」

海外出張および海外研修
1. Hideki Ishihara
The 15th Marcel Grossman meeting on General Relativity, Rome July.1-7 2018
2.Tatsuya Ogawa
The 15th Marcel Grossman meeting on General Relativity, Rome July.1-7 201869

原子核理論研究室
有馬正樹
佐藤弘一
千葉陽平

准教授
特任講師
特任助教

加納弘喬(M2)
豊山日向(M2)
福村健太(UG4)
宮下直斗(UG4)
大垣内宇宙(UG4)

緒方一介(クロスアポイントメント
教員)
櫻木弘之(理事兼副学長)

研究概要
1. 量子化されたスキルム模型におけるπ中間子場と核子スピンとの相互作用（加納、有馬）
本研究では、核子やπ中間子の性質を理解する手段としてスキルム模型を活用するために、スキルム模型の量子化を考察した。これまで独立な自由度として扱われていたソリトンに伴うゼロモードとπ中間子場のゆらぎについて、本研究ではそれらの間に存在する相互作
用の影響を含めて議論した。数値計算の結果、この相互作用の影響はとても大きいことが示された。そして、スキルム模型を量子化してπ中間子・核子散乱などの定量的な解析をするためには、この相互作用を取り入れることが重要であることを示した。
2. SU(3)スキルム模型におけるη中間子と核子の相互作用（豊山、有馬）
ハドロンが従う SU(3)×SU(3)カイラル対称性をもとにしてスキルム模型を理解しようと試みた。その際、カイラル対称性が自発的に破れることを考慮して、その 8 重項に属する中間子を考慮した。本研究で示したのは、古典解として非自明な配位になるのはπ中間子場だけであること、である。ヘッジホッグ配位を SU(3) に拡張した場合、π中間子以外
ではη中間子に対してのみ非自明な古典解の可能性が示唆される。しかし、運動方程式の解析から、エネルギーが有限になる解は存在しないことが示された。
3. 原子核の大振幅集団運動の微視的理論（佐藤）超流動原子核の大振幅集団運動の微視的理論を構築すべく、断熱的時間依存集団座標(ASCC)法という時間依存平均場理論に基づいて研究を行った。本来、ダイナミクスに寄与するにも関わらず、断熱近似に基づく従来の理論では取り込まれていなかった断熱展
開の高次項を取り込んだ新しい理論を提案し、可解模型を用いて理論の有効性を示した(論文 1)。
4. 集団模型に基づく核反応計算(佐藤、緒方、櫻木)
原子核の大振幅変形混合の核反応による観測可能性を議論するため、5 次元集団ハミルト
ニアンに基づく簡単な集団模型を提案した。ここでは、A=150 領域の Sm 同位体における変形相転移を想定し、154Sm を例にとり、(1)球形、(2)プロレート変形、(3)球形－プロレー
ト遷移領域、の 3 つの場合に遷移密度を求め、微視的チャネル結合計算を行うことで、弾性・非弾性陽子散乱の微分断面積を計算した。大振幅の変形混合によって微分断面積の回折パターンが変化しうることを示した。
5. 核子ノックアウト反応を用いた原子核の一粒子構造研究（緒方）理化学研究所で測定された、陽子標的による 1 核子ノックアウト反応を微視的反応模型で分析することにより、不安定原子核 76Ni の一粒子構造を特定した。
6. α移行反応およびαノックアウト反応を用いた原子核のクラスター構造研究（緒方）原子核からα粒子を叩き出す反応と原子核にα粒子を移行する(吸収させる)反応を分析することにより、それらの反応が原子核中に発達するαクラスター構造とどのように対応するかを明らかにした。

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7. α非弾性散乱を用いた原子核のクラスター構造研究（緒方・千葉）
α粒子の非弾性散乱断面積と原子核の励起状態に現れるクラスター構造の対応関係を、
24
Mg を例に微視的構造・反応論を用いて調べ、歪曲波や多重散乱による断面積への効果を明らかにした。
8.

Mg のクラスター構造研究（千葉）恒星内で起きる炭素燃焼過程で重要な役割を果たす、12C+12C クラスター共鳴が現れる
24
Mg の励起状態の構造を調べ、12C+12C 分解敷居値エネルギーに多数の 12C+12C クラスター共鳴が現れることを微視的構造論により初めて明らかにした。

24

教育・研究業績
学術論文
1. K. Sato: “Adiabatic approach to large-amplitude collective motion with the higher-ordercollective-coordinate operator”, Progress of Theoretical and Experimental Physics, 2018, 103D01(2018).
2.

K. Yoshida, K. Ogata, and Y. Kanada-En'yo: “Investigation on alpha clustering through knockout
reaction”, Physical Review C 98, 024614 (2018).

3.

S. Takeuchi et al.: “Coulomb breakup reactions of 93,94Zr in inverse kinematics”, Progress ofTheoretical and Experimental Physics 2018, 013D02 (2018).

4.

Y. Kikuchi, K. Ogata, T. Hayakawa, S. Chiba: “Azimuthal angle distributions of neutrons emitted
from the 9Be(,n) reaction with linearly polarized gamma rays”, Physical Review C 98, 064611(2018).

5.

Z. Elekes et al.: “Nuclear structure of 76Ni by (p,2p) reaction”, Physical Review C 99, 014312(2019).

6.

T. Fukui, Y. Kanada-En’yo, K. Ogata, T. Suhara, Y. Taniguchi: “Investigation of spatial
manifestation of alpha clusters in 16O via alpha-transfer reactions”, Nuclear Physics A 983, 38(2019).

国際会議講演1. K. Sato : “Adiabatic approach to large-amplitude collective motion with the higher-ordercollective-coordinate operator”, Tsukuba-CCS workshop on "microscopic theories of nuclear
structure and dynamics", 2018 年 12 月 10－12 日, Center for Computational Science, Tsukuba
University, Japan
2. K. Sato : “Adiabatic approach to large-amplitude collective motion with the higher-ordercollective-coordinate operator”, Recent Advances in Nuclear Structure Physics
2018(RANSP2018), 2018 年 11 月 29 日－12 月 3 日, YITP, Kyoto University, Japan
3. K. Ogata: “Some nuclear astrophysical studies with the Continuum-Discretized Coupled-Channels
method (CDCC)”, ECT* workshop on Indirect Methods in Nuclear Astrophysics, Trento, Italy,
November 5-9, 2018. (invited talk)
4. K. Ogata: “Microscopic reaction theory to probe several faces of nuclei”, International
Symposium in Honor of Professor Nambu for the 10th Anniversary of his Nobel Prize in Physics,
Osaka City University, December 12-13, 2018.
5. Y. Chiba: “Isoscalar transitions and decay properties of 24Mg studied with antisymmetrizedmolecular dynamics”, State of the Art in Nuclear Cluster Physics”, Texas, USA, May 13-18, 2018.
6. Y. Chiba, M. Kimura: “Isoscalar monopole and dipole transitions as probe for clustering”, 10 thInternational Conference on Direct reactions with Exotic Beams, Matsue, Japan, June 4-8, 2018.

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7. Y. Chiba: “Probing cluster states of 24Mg by alpha inelastic scattering”, The 10th China-Japan Joint
Nuclear Physics Symposium, Huizhou, China, November 18-23, 2018.
8. Yohei Chiba: “Probing cluster states of 24Mg by α-inelastic scattering”, NITEP One-day
Workshop “Recent Advances in nuclear cluster physics”, Osaka, Japan, March 5, 2019.
学会・研究会講演
1. 佐藤弘一：「集団模型に基づく遷移密度の記述」NITEP 研究会「微視的理論でつなぐ散乱観測量と核構造」2019 年 3 月 大阪市立大学梅田サテライト2.

佐藤弘一：「高次の集団座標演算子を入れた大振幅集団運動への断熱的アプローチ」
日本物理学会第 74 回年次大会 2019 年 3 月 九州大学

3.

Koichi Sato, “Adiabatic approach to large-amplitude collective motion with the higher-ordercollective-coordinate operator” The fourth workshop on many-body correlations in microscopic
nuclear model 2018 年 8 月尖閣荘(新潟県佐渡市)4.

緒方一介:「クラスター構造の実証に向けたいくつかの取り組み」, 基研研究会「Threshold
Rule 50」, 2018 年 10 月 3 日-5 日, 京都大学基礎物理学研究所.

5.

緒方一介:「原子核のクラスター構造の実証に向けた取り組み」, 新学術領域研究「量子クラスターで読み解く物質の階層構造」キックオフシンポジウム, 2018 年 11 月 19 日-20
日, 東京工業大学. (招待講演)

6.

K. Ogata: “Some nuclear astrophysical studies with CDCC”, Korea-Japan symposium on unstable
nuclei and nuclear astrophysics, the 74th annual JPS meeting, March 14-17, 2019, Kyushu
University.

7.

緒方一介, 千葉陽平, 櫻木弘之:「24Mg のα非弾性散乱断面積と単極子強度分布の対応」,
日本物理学会 第 74 回年次大会, 2019 年 3 月 14 日-17 日, 九州大学.

8.

千葉陽平: 「sd殻核おけるクラスター構造とアイソスカ ラー型遷移」 , 基研研究会「Threshold Rule 50」, 2018年10月3日-5日, 京都大学基礎物理学研究所.

9.

千葉陽平、緒方一介、櫻木弘之: 「α非弾性散乱とクラスター励起モード」, NITEP研究会「微視的理論でつなぐ散乱観測量と核構造」, 2019年3月28日, 大阪市立大学.

10. 千葉陽平:「24Mgにおける12C+12Cクラスター回転帯と崩壊モード」, 日本物理学会 第74回年次大会, 2019年3月14-17日, 九州大学.
その他
1. K. Ogata: “Some recent attempts for probing several faces of nuclei”, Seminar at the University
of Seville, Jan. 14, 2019.
2.

K. Ogata, “Cross sections and spin polarization observables in exclusive and inclusive knockout
reactions”, the 746th ASRC Seminar, JAEA, Feb. 21, 2019.

学位論文
修士論文
1. 加納弘喬：「量子化されたスキルム模型におけるπ中間子場と核子スピンとの相互作用」
2. 豊山日向：「SU(3)スキルム模型におけるη中間子と核子の相互作用」

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研究助成金取得状況
1.

千葉陽平：学術振興会・研究活動スタート支援「12C+12C共鳴の構造及びその炭素燃焼過程への寄与の解明」117万円.

海外出張および海外研修
1.

緒方一介: ドイツ・ダルムシュタット工科大学, 2018 年 7 月 29－8 月 5 日, EMMI workshop
on Direct Reactions and Nuclear Structure, 出席

2.

緒方一介: イタリア ECT*, 2018 年 11 月 4－12 日, ECT* workshop on Indirect Methods in
Nuclear Astrophysics, 出席・発表

3.

緒方一介: スペインセビーリャ大学, 2019 年 1 月 7 日－21 日, 原子核反応理論研究に関する議論(1 月 14 日にセミナーを実施)

4.

千葉陽平: Hotel Galvez & Spa, 2018年5月13-18日, State of the Art in Nuclear Cluster Physics,
出席・発表

5.

千葉陽平: Sheraton Bailuhu Resort, 2018年11月18-21日, The 10th Chiba-Japan Joint Nuclear
Physics Symposium, 出席・発表

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